Теплопроводность керамики: Теплопроводность алюминия и керамики

Коэффициенты теплопроводности керамики кислотоупорной — Справочник химика 21

    Керамические изделия обладают низкой теплопроводностью. Теплопроводность обычной кислотоупорной керамики составляет 1,05—1,57 втЦм — град), а ее удельная теплоемкость 0,75— 0,79 кдж/(кг град). Керамика, предназначенная для изготовления теплообменной аппаратуры, может иметь коэффициент теплопроводности до 1,86 вт/ м-град). Есть указания, что изготовляется специальная керамика с теплопроводностью [c.380]
    В настоящее время выпускаются керамиковые изделия повышенной теплопроводности. Теплопроводность некоторых специальных изделий достигает 3,95 ккал м-час-град. Теплопроводность обычной кислотоупорной керамики составляет 0,9—1,35 ккал м час град, а ее удельная теплоемкость — 0,18—0,19 ккал кг-град. Керамика, предназначенная для изготовления теплообменной аппаратуры, может обладать несколько повышенным коэффициентом теплопроводности — до 1,6 ккал м час град.
[c.373]

    Кислотоупорная керамика и каменныйтовар сравнительно дешевы и химически стойки, но непрочны, хрупки и обладают низкой теплопроводностью, что с появлением химически стойких сплавов ограничило их применение. Основные свойства изделия из керамики з дельный весу = 2,5ч-2,7, теплоемкость с = 0,19 к Ал//сг°С, коэффициент температурного расширения а = 4,5 X 10 — . Предел прочности при рзстяжении = 95 ч- 100 кг/см , при сжатии к.г/см . Для понижения пористости, достигающей [c.54]

    Кислотоупорная керамика характеризуется следующими свойствами плотность 2,5—2,56 г/см объёмный вес 2,1—2,3 г/см пористость по водо-поглощению 0,3—10% пределы прочности, кг1см при растяжении 50—100 сжатии-—до 5000 изгибе 100—400 огнеупорность 1500—1650° коэффициент линейного расширения — 4,3-10 теплопроводность 0,9—1,05 ккал/м-ч-град, теплоемкость 0,185—0,187 ккал// -spao кислотоупорность 92—99,8. 

[c.507]


Сталь, керамика, стекло или пластик — какой материал для пуровера лучше?

Как видите, для нагревания 1 кг пластика на определенное количество градусов требуется больше тепловой энергии. Однако керамическая воронка в среднем в 4 раза тяжелее пластиковой, поэтому при таком же нагревании она поглотит примерно в 3,5 раза больше тепла.

Вот, где кроется распространенное заблуждение. Бариста то и дело говорят, что предпочитают керамические воронки, «ведь они лучше держат тепло». А ведь достоинством это не назовешь: такая воронка поглощает больше тепла из жидкости в процессе заваривания.

Теплоотдача поверхности

Наконец, тепло уходит из воронки либо конвекцией, либо излучением. Скорость конвекции зависит от температуры поверхности. Материалы, обладающие более высокой теплопроводностью, быстрее доставляют тепло к поверхности. Когда тепло достигает поверхности, материалы с меньшей удельной теплоемкостью нагреваются сильнее. Значит, пластик, обладающий меньшей теплопроводностью и большей удельной теплоемкостью, отдаст гораздо меньше тепла в результате конвекции, чем другие материалы.

Скорость теплопотери излучением зависит не только от материала, но и от структуры (в том числе от гладкости) и температуры поверхности. Поэтому вычислить этот показатель крайне сложно. При одинаковой температуре стекло, фарфор и пластик потеряют в результате излучения примерно одинаковое количество тепла. Сталь отдаст излучением значительно меньше, но это нивелируется ее высокой теплопроводностью и низкой удельной теплоемкостью, из-за которых поверхность нагреется гораздо быстрее. К тому же максимальные теплопотери излучением вдвое меньше, чем конвекцией.

Воронки с двойной стенкой

С точки зрения изолирующих свойств воздух даст фору любому материалу: его теплопроводность составляет всего 0,02 Вт/(м*К). Некоторые производители воронок пользуются этим свойством, разрабатывая модели с двойной стенкой, между которыми предусмотрена воздушная прослойка. Существуют и сетчатые воронки: бумажный фильтр минимально контактирует с их стенками и максимально – с воздухом. Сами по себе такие модели удерживают тепло лучше, но даже их предпочтительнее изготавливать из пластика.

Двойные стенки стеклянных воронок в любом случае поглотят больше тепла еще до того, как воздушная прослойка успеет себя проявить. А вот аналогичная воронка из пластика справилась бы с задачей гораздо лучше.

Площадь поверхности сетчатых металлических воронок, несмотря на структуру, все равно немаленькая. А значит, в процессе заваривания она поглотит и отдаст внешней среде достаточно много тепла. Еще какое-то количество тепла вы потеряете в результате испарения с внешней поверхности фильтра (теплопотери испарением всегда очень значительны). Гораздо лучше для этого бы подошел пенополистирол – к тому же он дешевле.

Заключение

Итак, пластик выигрывает по каждому из трех критериев: он медленнее поглощает тепло из воды в процессе заваривания, в целом поглощает меньше тепла и отдает его медленнее. Конечно, важна и конструкция воронки: особую роль играют вес и площадь поверхности. Однако, какой бы ни была модель, изготавливать воронку предпочтительнее из пластика.

Автор: Метт Пергер
Источник: baristahustle.com/blog/steel-glass-ceramic
Перевод и адаптация текста: компания Barista Coffee Roasters
Копирование материала разрешено исключительно с указанием активной ссылки на ресурс: www. barista.ua и источник статьи.

Битва «воронок». Пластик VS Керамика — The Welder Catherine

Какую воронку выбрать – пластиковую или керамическую?

Если вкратце – пластиковые воронки лучше любых других. Они медленнее отбирают тепло у воды, которой мы готовим кофе; они могут поглотить меньше тепла в принципе; а ещё они медленнее передают это тепло окружающей среде.

Разобраться в том, почему дела обстоят именно так, нам поможет физика.

Есть три фактора, которые определяют, сколько тепла потеряет наша экстракция из-за воронки:

– Теплопроводность – мера того, насколько быстро материал воронки поглощает тепло и распределяет его внутри себя;

– Удельная теплоемкость – мера того, сколько тепловой энергии нужно, чтобы изменить температуру воронки на один градус;

– Теплопотеря с поверхности – мера того, насколько быстро воронка отдает тепло окружающей среде.

Теплопроводность.


Возможно, вы запомнили ещё со школьных уроков физики, что пластик – это отличный изолятор, а металл – отличный проводник. Стекло и керамика находятся примерно между пластиком и металлом.

Теплопроводность материалов:

1.   Пластик 0.2 Вт

2.   Стекло 1 Вт

3.   Керамика 4-5 Вт

4.   Нержавеющая сталь 16 Вт

Теплопроводность керамики в 20-25 раз выше, чем у пластика. Это значит, что тепло будет гораздо быстрее уходить из воды, которой мы готовим кофе, в керамическую воронку.

Удельная теплоемкость


Далее рассмотрим, сколько энергии в принципе могут вобрать в себя воронки из разных материалов. Эта величина называется удельной теплоемкостью и измеряется в Дж/(кг·К) – иными словами, сколько джоулей энергии пойдет на то, чтобы изменить температуру одного килограмма материала на один градус.

Удельная теплоемкость материалов:

1. Пластик 1250 Дж
2.Стекло 753 Дж
3.Керамика 1085 Дж
4.Нержавеющая сталь 490 Дж

Итак, чтобы повысить температуру одного килограмма пластика на один градус, потребуется больше энергии, чем для всех остальных материалов. Также учтем тот факт, что обычная керамическая воронка весит примерно в четыре раза больше пластиковой воронки, так что, чтобы повысить её температуру на один градус, потребуется примерно в 3,5 раза больше тепла, чем для пластиковой воронки.

На этом моменте спотыкаются многие бариста: часто можно услышать, что они используют керамические воронки «потому, что они удерживают больше тепла». Но на самом деле в этом нет ничего хорошего – воронка, в которую «влазит» больше тепла, будет забирать больше тепла из воды, которой мы готовим кофе.

По этой же причине керамическая чашка совсем не «удерживает температуру» эспрессо, как часто говорят — если вы хоть раз в жизни пробовали эспрессо из бумажного стаканчика, то возможно заметили, что он намного горячее, чем из чашки. А всё потому, что сколько угодно прогретая керамическая чашка очень быстро забирает из эспрессо большое количество тепла.

Теплопотеря с поверхности

Тепло переходит из воронки в окружающую среду двумя путями – посредством конвекции и излучения.
Скорость конвекции зависит от температуры поверхности, которая отдает тепло – чем выше температура этой поверхности в градусах, тем быстрее она будет терять тепло. Материалы с более высокой теплопроводностью будут быстрее распределять тепло внутри себя, и в результате это тепло быстрее дойдет до поверхности – зоны контакта с воздухом.

Как мы уже знаем, материалы с более низкой удельной теплоемкостью сильнее разогреваются на одну единицу тепла; следовательно, когда тепло доходит до поверхности таких материалов, её температура вырастет на большее количество градусов. В итоге пластик, который обладает более низкой теплопроводностью и более высокой удельной теплоемкостью, потеряет посредством конвекции гораздо меньше тепловой энергии, чем другие материалы.
Скорость теплопотери посредством излучения зависит не только от материала и температуры поверхности, но и от его структуры (включая степень отполированности), так что её сложно рассчитать. При одинаковой температуре стекло, керамика и пластик будут излучать одинаковое количество тепла. Сталь излучает немного меньше тепла, но это перекрывает тот факт, что у стали высокая теплопроводность и низкая удельная теплоемкость – а значит, стальная поверхность разогреется гораздо быстрее. К тому же, максимально посредством излучения может быть потеряно примерно в два раза меньше тепла, чем посредством конвекции.

Что насчет воронок с теплоизоляцией?

Воздух – это гораздо более эффективный изолятор, чем все эти материалы; его теплопроводность составляет примерно 0,02 Вт/(м·K). Существуют воронки, которые пользуются этим преимуществом: воронки с двойными стенками содержат воздух в зазоре между стенок, а открытые металлические каркасные конструкции сводят к минимуму площадь твердого материала, которая контактирует с фильтром, открывая доступ воздуху. До некоторой степени такие воронки помогают сохранить тепло, но их всё равно лучше всего было бы изготавливать из пластика.

В случае стеклянных воронок с двойными стенками, большая масса стекла всё равно впитает много тепла, прежде чем в игру вступит воздушная прослойка. Пластик бы справился с этой задачей гораздо лучше.

В случае металлических каркасных воронок, площадь поверхности металла остается довольно большой, так что он всё равно впитает какое-то количество тепла из воды и рассеет его в окружающей среде. Также к конвекции и излучению добавится теплопотеря посредством испарения, которое происходит на внешней поверхности фильтра (там, где фильтр контактирует с воздухом), а так огромное количество тепла уходит в окружающую среду. Если бы такие воронки делали из чего-то вроде пенополистерола, вышло бы и дешевле, и эффективнее.

Итог

Как видим, пластиковые воронки победили во всех номинациях – они медленнее вбирают тепло из воды, которой мы готовим кофе (меньшая теплопроводность), в них «влазит» меньшее количество тепла (высокая удельная теплоемкость), а также они медленнее отдают тепло окружающей среде (низкая теплопотеря). Конечно, какую-то роль играет и дизайн воронки – в особенности её вес и общая площадь поверхности, – но при любых конструктивных решениях самым логичным материалом для изготовления воронок всё равно остается пластик.

Коэффициент теплопроводности керамики. Характеристики керамических блоков

В таблице представлены значения плотности, пористости П, теплопроводности керамики и огнеупоров в зависимости от температуры. Также в огнеупорах содержаться оксид магния и карбид кремния.

Ищите ту, которая нужна именно Вам. В СП есть многие материалы. Ваш e-mail не будет опубликован. Полная таблица теплопроводности различных строительных материалов Теория и расчеты 3 Комментариев.

Химия и химическая технология

Далее Теплоизоляция трубопроводов. Сравнение материалов. Размеры, масса и другие характеристики блоков Поротерм для наружных, несущих и самонесущих стен.

Блоки Поротерм для внутренних перегородок. Значения термического сопротивления определены согласно EN Доборные блоки.

Справочник химика 21

Пустотные керамические блоки Porotherm представляют собой эффективный строительный материал для возведения наружных несущих и самонесущих стен, внутренних несущих стен и перегородок. С точки зрения теплотехники блок является неоднородным материалом. Поризованная керамика сама по себе имеет более высокие теплотехнические показатели по сравнению с обычной плотной керамикой.

Методика определения термического сопротивления согласно п. Для определения термического сопротивления неоднородных конструкций используют как экспериментальные, так и расчетные методы. Значение R, определенное экспериментально можно использовать для расчета так называемого приведенного значения l по формуле приведенной ниже:.

В таблице представлены значения плотности, пористости П, теплопроводности керамики и огнеупоров в зависимости от температуры. Также в огнеупорах содержаться оксид магния и карбид кремния. Плотность, пористость П и теплопроводность приведены для следующих материалов: огнеупор из кварцевого стекла, керамика, содержащая оксид алюминия Al2O3, SiO2, MgO, SiC, диоксид циркония ZrO2, изделия: динасовые, полукислые, шамотные, муллитокремнеземистые, муллитовые, муллитокорундовые, корундовые, периклазовые, форстеритовые, карбидкремниевые, бадделеитовые, цирконовые плавленые и поликристаллические. В таблице представлены значения удельной массовой теплоемкости керамики и огнеупоров в зависимости от температуры.

Технические характеристики керамических пустотных блоков Porotherm. Сравнение блоков POROTHERM и других строительных материалов Толщины стен из рядового кирпича и блоков из ячеистого бетона эквивалентные блокам Porotherm на теплоизолирующем растворе по теплотехническим характеристикам м.

Толщины стен из рядового кирпича и блоков из ячеистого бетона эквивалентные блокам Porotherm на обычном растворе по теплотехническим характеристикам м. В СНиПе много материалов каких нет, но это не факт что их не надо учитывать. Видел в одном месте, что слой пишут так — выравнивающий цементно-песчаный раствор с керамической плиткой, коэффициент теплопроводности берут как у цементно-песчаного раствора, а толщину как с керамической плиткой.

Сообщение 4.

Просмотр профиля. Сообщение 5. Цитата mitai Feb 18 , Сообщение 6.

Искать только в заголовках Сообщения пользователя: Имена участников разделяйте запятой. Новее чем: Искать только в этой теме Искать только в этом разделе Отображать результаты в виде тем.

Сообщение 7. Стандарт DIN ч.

Керамических материалов

Сообщение 8. Determination of thermal conductivity of the material Tuplex Вот данные от Полякова В. Сообщение 9. Сообщение Благодарю за столь ценную вещь!

Плюсы и минусы

За безценный материал, собранный и объединенный в одном файле!! Цитата hitachi72 Цитата mitai Немогу нигде найти коэффициент теплопроводности полиэтиленовой пленки. Пленка помогает только тем в конструкции стены что она паро- и воздухонепроницаема, особено если сравнивать с известняком и ему подобными пористыми материалами. Из-за этого стены находятся в сухом состоянии- меньше теплопроводность, и не пропускают воздух- не требуется энергия на нагрев.

Но сомневаюсь что это просчитывается.

Приглянулся проект? Мы Бесплатно Просчитаем Всё Для Вас (+ Акция…

Уважаемые форумчане, здравствуйте! Давно мучаюсь вопросами про покрытие теплиц зимних! Долго искал информацию на просторах интернета, но простые ответы на казалось бы простые вопросы не могу найти :unsure: 1 каково будет итоговое теплосопротивление 1 кв.

Ну или теплопроводность. Я конечно понимаю, что пленка не стекло и сделать между слоями 20 мм. Но почему же делают 50 см и см между слоями? Ведь см. Какой эффект лучше в цифрах дает система надува с насосами?

Крупноформатные керамические поризованные блоки

Если кто ответы знает, но нет возможности ответить — может быть посоветуете, где я могу получить компетентную информацию на свои вопросы? Заранее спасибо!

Сообщение отредактировал pchela87 — 7. Начните вот этого для понимания теплопроводных процессов. Цитата pchela87 7. Цитата lovial 7. При оклейке одной или обеих поверхностей воздушной прослойки алюминиевой фольгой термическое сопротивление следует увеличивать в 2 раза.

Теплая керамика — статья на сайте – Кирпич-Черепица.рф

Керамический рынок консервативен по своей сути: изделия из обожженной глины производятся не одну тысячу лет, при этом они в минимальной мере подвержены влиянию моды и технического прогресса. Теплая керамика – одна из немногих принципиальных новинок в этом сегменте. Крупноформатные поризованные блоки впервые появились около 30 лет назад в ряде европейских стран (Германии, Швеции, Италии, Испании). Малый вес, низкая теплопроводность, высокая паропроницаемость и звукоизоляция сразу привлекли широкий интерес к тёплой керамике.

Главная особенность теплой керамики – наличие выгорающих добавок, которые после обжига образуют замкнутые микропоры. Ячеистая структура не только уменьшает вес поризованного блока, но существенно улучшает его физико-механические свойства. Изначально для получения воздушных камер в тёплой керамике применялся вспененный полистирол, но вскоре производство переориентировалось на древесные опилки. Дело в том, что полистирол сочетается только с высокопластичными глинами, которые распространены отнюдь не повсеместно, к тому же выделяет при сгорании достаточно много вредных веществ. Отходы деревообрабатывающего производства, напротив, нетребовательны к качеству минерального сырья, а выбрасывают во внешний мир исключительно углекислоту, причём в равных количествах, что при естественном разложении, что при сжигании. Получается, опилки, израсходованные на получение теплой керамики дают как минимум двойной эффект: во-первых, они снижают затраты на обжиг поризованного блока, поскольку сами являются горючим материалом, неэффективным в других условиях, во-вторых, позволяют на протяжении всего срока эксплуатации дома экономить энергию, необходимую для отопления.

Теплая керамика – универсальный материал, который является в равной мере конструктивным и теплоизоляционным. После ужесточения СНиПов в 2003-м году традиционные стеновые материалы перестали соответствовать требованиям теплоизоляции. Для частного домостроения это, конечно, было бы не столь принципиально, но за последние 10 лет стоимость энергоносителей в России возросла более чем в шесть раз и продолжает увеличиваться. Широко распространенные нынче «сэндвичи», в которых несущие конструкции дополняются теплоизоляцией и облицовкой, имеют достаточно большое количество скрытых изъянов. Во-первых, в единой стене оказываются элементы с различными сроками службы, по-разному реагирующие на внешние воздействия. И, если кирпич может служить сто и более лет, а замурованный в него утеплитель 20 лет, то не сложно представить суммарные потери эффективности.

Другой нюанс заключается в том, что сопротивление теплопередаче зависит от влажностных условий. Для Московского региона это условия эксплуатации Б, при которых коэффициент теплопроводности значительно увеличивается практически у всех материалов. Связано это с тем, что влага в 22 раза сильнее воздуха проводит тепло. При замерзании разница увеличивается до 80 раз. Заполняя мельчайшие поры, вода резко снижает тепловое сопротивление по сравнению с расчетным. Однако зачастую поставщики утеплителей рекомендуют пользоваться цифрами, соответствующими условиям эксплуатации А, ссылаясь на то, что их материал не соприкасается с внешним воздухом, а находится под защитой фасадной облицовки. Так же нередко игнорируются мостики холода, которые создает кладочный раствор и крепеж подвесных фасадов. А ведь всего шесть анкеров на квадратный метр на 7 % снижают эффективность теплоизоляционного слоя.

Принципиально иной подход строительства дома заключается в том, что стеновой материал может сам выполнять роль утеплителя. Сегодня на рынке достаточно широко представлена так называемая теплая керамика – материал, сколь традиционный по составу, столь и необычный по совокупным характеристикам. Теплая керамика представляет собой крупноформатные поризованные блоки, выполненные из обожженной глины. Теплая керамика экологически чистый и долговечный материал. От традиционного кирпича его отличает формат, вес, повышенные тепловые характеристики, удобство монтажа. Крупноформатные поризованные блоки пустотелые, но геометрия пустот гораздо более сложная, усиленная естественными воздушными камерами (порами) в керамической массе. По горизонтали поризованные блоки объединяются между собой с помощью системы паз-гребень, что дополнительно уменьшает количество мостиков холода. При этом теплая керамика сохраняет все достоинства традиционного кирпича.

Наилучший коэффициент теплопроводности на сегодняшний день имеет крупноформатный поризованный блок Самарского комбината керамических материалов KERAKAM 38СТ толщиной δ=38 см. Значение коэффициента теплопроводности для KERAKAM 38СТ (Супер Термо) составляет всего λ=0,121 Вт/мºС (условия эксплуатации Б). Для Московской области при условиях эксплуатации Б минимально допустимое значение сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций составляет R=3,13 мºС/Вт. Соответственно необходимая толщина стены без дополнительного утепления при использовании теплой керамики KERAKAM 38СТ равняется 0,121х3,13=0,378 м. (R• λ=δ) По этому показателю поризованные блоки не имеют равных среди конструктивных материалов. Так коэффициент теплопроводности для Московской области при условиях эксплуатации Б у хвойной древесины (поперёк волокон) равен 0,18 Вт/мºС и соответственно необходимая толщина стены 0,56 м , у пенобетона и газосиликата плотностью 400 кг/м3 – 0,15 Вт/мºС (0,47 м), у керамического пустотелого кирпича плотностью 1000 кг/м3 – 0,52 Вт/мºС (1,63 м), у железобетона – 2,04 Вт/мºС (6,39 м).

В два раза эффективней теплой керамики оказываются минвата и пенополистирол, но они не обладают несущей функцией. Следует также учитывать, что минвата со временем может проседать, создавая мостики холода под потолком, а пенополистирол испарится в случае пожара, к тому же, если с ним переусердствовать, дом превратится в «термос», требующий принудительную вентиляцию.

Благодаря высокой паропроницаемости теплая керамика создает в помещении комфортный микроклимат. Излишняя влажность воздуха уходит внутрь стены, при этом на ее поверхности не образуется конденсат. Рациональное расположение пустот в блоках теплой керамики, с одной стороны, полностью предотвращает образование грибков и плесени, с другой – значительно усиливает звукоизоляционные свойства материала.

Поризованные блоки выпускаются в нескольких форматах. Чтобы соблюсти СНиП, достаточно использовать теплую керамику в полтора стандартных кирпича, то есть толщиной 38 см. При этом, например, керамический поризованный камень KERAKAM 38СТ имеет плотность 735,0 кг/м3, тогда как кирпич имеет плотность 1000-1400 кг/м3. Поризованный камень KERAKAM 38СТ имеет прочность 75 кгс/см², что позволяет использовать его для строительства домов высотой до трех этажей без дополнительного армирования и создания железобетонного каркаса.

Экономия начинается еще на нулевой фазе строительства. Благодаря малому весу тёплой керамики (15,00 кг при формате камня 11,1 НФ) требуют значительно менее затратного фундамента в сравнении с кирпичом и бетоном – где именно фундамент составляет до трети всех строительных расходов. Удобный типовой формат теплой керамики позволяет ускорить процесс возведения стен как минимум в три раза относительно кирпичной кладки, причем геометрически простую коробку успешно могут возвести даже непрофессионалы. Благодаря системе паз-гребень раствор укладывается только горизонтально между рядами теплой керамики. Суммарно это составляет экономию раствора в 3 раза и дополнительную теплоизоляцию всей конструкции до 20 %, слабым звеном в которой являются именно цементные швы.

Пожалуй, единственный объективный недостаток теплой керамики в сравнении с традиционным кирпичом – относительно невысокая морозостойкость — 50 циклов. Впрочем, значительно продлит срок службы конструкции из тёплой керамики дополнительная защита фасада от внешних воздействий либо клинкерной плиткой, либо облицовочным кирпичом.

Поделитесь с друзьями:

на что обратить внимание при выборе

Керамическая плитка на протяжении десятилетий широко используется для отделки разной поверхности. Этому есть серьезные причины.

Этот отделочный материал обладает прекрасными техническими, механическими и физическими характеристики. В этой статье мы раскроем вам особенности этого материала. В результате вы в очередной раз убедитесь в правдивости слов – керамическая плитка не устаревает!

Плюсы и минусы

Перед другими облицовочными материалами плитка имеет массу преимуществ. Но несмотря на это стоимость изделия остается вполне доступной для разных слоев населения. Все затраченные средства с лихвой окупятся ее положительными сторонами:

  • Экологичность.
  • Устойчивость к огню.
  • Высокий коэффициент износостойкости.
  • Низкий уровень водопоглощения.
  • Высокая прочность.
  • Диэлектрические свойства.
  • Продолжительный эксплуатационный срок.
  • Гигиеничность.
  • Доступность.
  • Огромная сфера использования.
  • Огромный ассортимент по фактуре, размеру, цвету и прочее.

Каждый тип плитки от разного производителя имеет все перечисленные преимущества в той или иной степени. При выборе убедитесь, что в составе отсутствуют токсические добавки.

Для этого посмотрите сертификат качества. Что касается минусов, то они зависят от особых случаев и ситуаций. Чаще всего минусы – следствие неправильного монтажа и эксплуатации.

  • Трудоемкий монтаж (зависит от квалификации мастера).
  • Хрупкость при точечной нагрузке (при правильной кладке полностью исключается).
  • Скользкая поверхность.
  • Высокий коэффициент проведения звука.
  • Теплопроводность.
  • Твердость (падающие предметы будут разбиваться).

Состав изделия

На качество кафеля влияет качество состава сырья.

Также известна как шихтовая масса. В нем может находиться до 20 разных природных компонентов. Ниже приводятся основные группы природных элементов, определяющие состав керамической плитки:

  1. Глазурь и краситель. Применяется для оформления поверхности.
  2. Карбонаты и полевой шпат. Придает шихте необходимую вязкость. В результате керамика достигает повышенной плотности и теплопроводности.
  3. Песок. Используется измельченный гранит или кварцевый песок. На его основании формируется скелет, предотвращающий деформацию в процессе сушки.
  4. Каолин. Смесь разных сортов глины. Позволяет формировать материал благодаря отличной пластичности.

Технические характеристики

Технические характеристики керамической плитки разделены на такие группы:

  • Безопасность.
  • Химическая.
  • Физическая.
  • Механическая.
  • Геометрическая.

Рассмотрим все эти группы по отдельности при помощи таблицы:

ГруппаОписание технических характеристик
БезопасностьОпределяется сопротивляемости скольжению DIN. В составе исключается содержания токсичных веществ.
ХимическаяУстойчивость к негативному воздействию огню. Не распространяет его и не поддерживает. Поверхность изделия устойчива к негативному воздействию щелочей и химической среды. Под воздействием ультрафиолетовых лучей не изменяет своей структуры и цвета.
ФизическаяУстойчива к низкой температуре. Высокая термостойкость и высокий коэффициент теплопроводности. Исключается водопоглощение.
МеханическаяВысокая прочность на изгиб. Отличная сопротивляемость ударам, износу, линейному расширению и глубинному разрушению. Высокий коэффициент твердости.
ГеометрическаяПравильная форма. Глазурь не имеет трещин и сколов. Правильная геометрия формы по толщине, ширине и длине.

Важно! В большей степени качество и соответствие керамической плитки описанным техническим характеристикам зависит от добросовестности производителя. Чем материал дешевле, тем большая вероятность приобрести изделие низкого качества.

Рассмотрим все эти характеристики подробнее.

Безопасность

Важное свойство – антистатичность, диэлектричность, пожаробезопасность. Также учитывается коэффициент трения, имеющий значение буквой «R».

На уровень безопасности ходьбы по кафелю влияет величина этого значения.

Этот показатель делится на 4 группы (согласно установленным нормам):

  • от 0 до 0,19 – опасно;
  • от 0,2 до 0,39 – на грани;
  • от 0,4 до 0,74 – удовлетворительно;
  • 0,75 – полностью безопасно.

Напольный кафель в комнатах с высокой влажностью должен обладать показателем меньше 0,75, в остальных случаях допускается показатель ниже 0,4.

Химические свойства

Речь идет об устойчивости к агрессивным веществам, к которым относится бытовая химия.

Химическая характеристика подразделена на 5 классов:

  1. Стойкая – АА.
  2. Устойчивая – А.
  3. Средняя потеря качества – В.
  4. Частичная потеря качества – С.
  5. Нестойкая – D.

Совет! Выбирая керамику, обращайте внимание обозначения. На упаковке указываются все эти данные.

Физические свойства

Это объемная характеристика керамики, включающая в себя:

  • Огнеупорность и огнестойкость.
  • Плотность.
  • Морозостойкость.
  • Пористость.
  • Теплопроводность.
  • Водопоглощение.

Все эти показатели между собой взаимосвязаны, благодаря чему формируются прекрасные физ-характеристики. Ознакомимся с каждым свойством индивидуально.

Огнеупорность и огнестойкость

Кафель нет горит. При воздействии высокой температуры она не выделяет в воздух вредные вещества и соединения. Обработанная поверхность керамикой защищена от возгорания.

Плитка имеет разновидности по термостойкости:

  • Клинкер
  • Майолик
  • Изразцы
  • Терракот
  • Керамогранит
  • Шамот

Учитывая это, широко используется для облицовки каминов, печей и подобных сооружений. Важное условие – правильно выбрать плиточный клей.

Благодаря высокой теплопроводности материал аккумулирует тепловую энергию и обеспечивает продолжительную отдачу тепла.

Теплопроводность

Речь идет о реакции изделия на низкую/высокую температуру, вернее, пропускная способность.

Теплопроводность имеет обозначение – λ. На упаковках его нет. Если изделие имеет большое количество пор, то оно имеет низкую теплопроводность.

Этот кафель рекомендован для облицовки вертикальной поверхности. Для полов, особенно для укладки на теплый пол рекомендуется максимальное значение по теплопроводности.

Важно! Керамика должна аккумулировать и быстро отдавать тепло, что содействует экономии по расходу энергоносителей при отоплении жилого помещения.

Такая плитка должна состоять из материалов низкой пористости, например:

  • крошка природного камня;
  • керамогранитная крошка.

Важен способ производства. Материал должен подвергаться большому давлению. Если системы теплого пола нет, то предпочтенье отдается облицовке с низкой теплопроводностью.

Водопоглощение

Чем ниже коэффициент водопоглощения, тем большей прочностью обладает керамика. Весь облицовочный материал подразделен на 4 группы:

  • I группа. Имеет коэффициент меньше 3 процентов. Можно использовать для наружной и внутренней облицовки.
  • IIa группа. Имеет коэффициент от 3 до 6 процентов.
  • IIb группа. Имеет коэффициент от 6 до 10 процентов.
  • III группа. Имеет коэффициент больше 10 процентов. Допускается для использования исключительно для внутренних поверхностей.

Производитель указывает ту или иную группу.

Обратите внимание

Для улицы обязательно выбирайте кафель, принадлежащий к группе I. Для облицовки внутренних поверхностей подходит любая из перечисленных групп.

Морозостойкость

Качество этой характеристики зависит от уровня пористости. Если поры большие, то проникающая в них влага при замерзании будет вызывать разрушение плитки.

Для увеличения этого показателя при производстве из состава выводится воздух, а после выполняется обжиг и глазуровка.

Например, клинкер является прекрасным представителем морозостойкого материала. По внешним характеристикам он не отличается от обычной керамики. Но используется для облицовки веранды, цоколя здания, балкона и других конструкций.

Важно! На упаковке морозостойкость обозначается снежинкой.

Данное изделие также положительно справляется с постоянным воздействием ультрафиолетовых лучей.

Плотность

Плотность подразделяется на:

  • относительную;
  • среднюю;
  • истинную.

Для бытового использования предпочтенье отдается средней плотности. Под этим подразумевается отношение единицы объема к единице массы. Плотность взаимосвязана с другими физическими тех-характеристиками.

Прочность изделия зависит от высокой плотности.

Такая плитка отличается:

  • низкой пористостью;
  • низким уровнем водопоглощения;
  • высокой теплопроводностью.

На упаковке это значение не указывается. Объясняется это тем, что при выборе преимущественно ориентируются на вес 1 метра квадратного.

Пористость

Этот показатель измеряется степенью водопоглощения.

При низком уровне пористости:

  • уменьшается коэффициент водопоглощения;
  • увеличивается прочность на изгиб;
  • увеличивается теплопроводность;
  • увеличивается морозостойкость.

Если на кафеле отсутствует глазурь, то она имеет низкий уровень пористости. Она устойчива к появлению пятен и всевозможных загрязнений. Отечественные производители обозначают пористость символами по возрастанию, где «А» является минимальным показателем.

Механическая

Эта характеристика определяет устойчивость изделия к разного рода нагрузкам, под влиянием которой изделие остается целостным.

Механическая характеристика определяется:

  • на изгиб;
  • на сжатие;
  • износостойкость.
На изгиб

Качество этого показателя зависит от толщины плитки. Отрицательно сказываются линейные размеры. Определяется этот показатель максимальным статическим усилиям до разрушения отделки.

На сжатие

Подразумевается способность справляться с вертикальным статическим давлением, измеряющееся до момента разрушения кафеля. Качество зависит от плотности, отрицательно сказывается повышенная пористость. Все испытания происходят в лабораторных условиях и регламентированы ГОСТом, поэтому на упаковки никакой информации нет.

Износостойкость

Речь идет об устойчивости верхнего слоя к абразивному воздействию и образованию царапин. Особенно важна износостойкость для напольной плитки.

Соответственно, производитель обозначает 5 классов износостойкости:

  • Класс PEI I – допускается для облицовки помещений, эксплуатация которых подразумевает использования мягкой обуви, например, ванная комната.
  • Класс PEI II – допускается для облицовки жилых помещений (холл, спальня, лестница, балкон и т.п.). Это все те помещения, в которых ходят исключительно в домашней обуви.
  • Класс PEI III – допускается для облицовки мест с неактивным движением, например, в небольших офисных помещениях, гостинице, но не на ступеньках и вестибюлях.
  • Класс PEI IV – допускается для облицовки помещений с повышенной и средней активностью передвижения.
  • Класс PEI V – допускается для облицовки мест с повышенной интенсивностью передвижения.

Важно! Класс и характеристика по износостойкости на упаковке обозначается пиктограммой следом ступни (пол) и ладонь (стена).

Геометрическая

Данный тип технической характеристики подразделяется на 4 группы:

  1. Калибр.
  2. Размер.
  3. Форма.
  4. Формат.

Рассмотрим каждый по отдельности.

Калибр

Под этим подразумевается реальный размер листов в упаковке, который отличается от проектного размера.

Например, если на упаковке заявлены размеры 300×50, то в реальности показатель может быть равным 298 х 48 ± 50 мм. Этот показатель обязательно есть на каждой упаковке. Чем важен калибр?

Старайтесь выбрать все упаковки приблизительно одного калибра. Это позволит достичь идеально ровных швов без расхождений. Как правило, керамическая плитка будет иметь равный калибр с одной партии. А если и будут расхождения, то разница не более одного калибра.

Размер

Это данные по толщине, ширине и длине керамики. Самые маленькие размеры имеет мозаика от 10×10 мм толщиной около 4 мм. Что касается больших размеров, то в продаже есть огромный сортамент продукции. Некоторые производители выпускают трехметровые плитки с разделенными на пиксели. Информация о размерах находится на упаковке.

Формат

Под этим подразумевается объединение двух характеристик: размер и форма плитки.

Форма

В продаже есть кафель самых разных форм:

  • Овальная.
  • Квадратная.
  • Прямоугольная.
  • Круглая.
  • Треугольная и прочее.

Другие параметры

Помимо всех перечисленных технических характеристик, следует обращать внимание и на другие параметры:

  1. Вес. Здесь отсутствуют стандарты. Вес плитки зависит от толщины, наличья глазури и вида изделия. На 1 м2 вес может быть от 10 до 25 кг. Самый легкий неглазурованный кафель имеет толщину 7 мм. Самый тяжелый элемент имеет толщину 9 мм с глазурью. Преимущественно это керамогранит.
  2. Объемный вес. Кубический вес плитки важен для транспортировки. Зачастую 1 м3 может весить около 2,5 тыс. кг.
  3. Теплопроводность. Об этом показателе уже говорилось в этой статье. Глазурованная плитка имеет коэффициент теплопроводности от 1,2 до 0,8 Вт/м2°С. Этот показатель гораздо выше чем у ламината и подобного покрытия. Важную роль играет при обустройстве напольного покрытия.

Заключение
Мы рассмотрели все существующие технические характеристики керамической плитки. Предоставленная информация поможет вам выбрать качественный кафель для облицовки той или иной поверхности.

Если вы знаете о других важных особенностях, то обязательно пишите об этом в комментариях к этой статье. Также предлагаем посмотреть подготовленный видеоматериал.

Особенности выбора керамической плитки исходя из ее технических характеристик — видео

Выбирая плитку, обращаем внимание на ее состав — видео

Пример расчета оптимальной толщины стены, практические способы повышения способности к теплосохранению

Каким образом можно повысить способность стены к сохранению тепла?

Существует несколько способов:

  • В первую очередь стоит упомянуть о технологии укладки. Соблюдая ее, вы сможете подчеркнуть высокие показатели качеств керамических изделий.
  • Утепление конструкции, разумеется, значительно снизит коэффициент теплопроводности здания. Важно выбрать наиболее оптимальный метод. Например, создание воздушного зазора при этом будет наиболее эффективным.
  • Крайне популярным вариантом является применение керамического кирпича в качестве облицовочного материала, а вот основные стены можно выложить с использованием ячеистого бетона, например. В этом случае, строение будет наиболее теплым.

А как же рассчитать толщину стены, если застройщик все же решил строить здание исключительно из кирпича? Все достаточно просто. Оптимальным вариантом является кладка в полтора или два кирпича – эти виды наиболее распространены.

Толщина стен зависит от региона и климатических условий в первую очередь, поэтому при расчете следует учитывать так называемый коэффициент сопротивления теплоотдаче, который индивидуален для каждого региона. Указан он в СНиП. Среднее значение равно 3,4, поэтому в нашем примере мы и будем его использовать.

Предположим, что кирпич мы применяем рядовой керамический полнотелый, с плотностью в 1600 кг/м3 и теплопроводностью равной 0,5 Вт*мС.

0,5*3,4=1,7. Значение получается крайне большим. Однако, при расчете необходимо учитывать теплопроводность утеплителей и вычитать ее. Чем интенсивнее будет утепление, тем меньшей будет рекомендуемая толщина стены.

В заключение

Коэффициент теплопроводности керамического кирпича, как мы выяснили, зависит от вида изделий и их плотности. И чем последняя выше, тем способностью к теплосохранению ниже.

Однако, несмотря на мало конкурентный показатель, существуют методы повышения данной способности, которые помогут застройщику построить теплый дом.

Керамика с высокой теплопроводностью и ее композиты для терморегулирования интегрированных электронных корпусов

2.1. Керамика и композиты на основе нитрида алюминия (AlN)

2.1.1. Керамика AlN с добавками для спекания

Нитрид алюминия (AlN) имеет структуру вюрцита с высокой ковалентной связью, высокую теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения (КТР) 4,5 ppm / ° C, что хорошо сочетается с кремниевыми устройствами. Типичная теплопроводность AlN составляет 140–180 Вт / мК, но колеблется в диапазоне 18–285 Вт / мК в поликристаллической керамике AlN в зависимости от условий процесса, чистоты исходных материалов и микроструктуры [1].AlN стабилен при 700–1000 ° C в атмосфере кислорода. Он также имеет отличные диэлектрические свойства: низкая диэлектрическая проницаемость (ε r ) = 9 и низкие потери (tan δ) = 0,0003 на частоте 1 МГц. Обладая такими выдающимися физическими и термическими свойствами, керамика AlN часто выбирается в качестве материала-кандидата для изоляционной подложки (энергия прямой запрещенной зоны ~ 6,015 эВ) для устройства и корпуса силовой электроники. Однако спекание AlN с высокой плотностью для эффективной теплопередачи и высокой механической прочности является сложной задачей из-за его высокой ковалентности и низкой диффузионной природы, которая требует очень высоких температур спекания, превышающих 1900 ° C, в восстановительной атмосфере с приложенным давлением, даже если она стабильна около 1000 ° C на воздухе.Кроме того, ухудшение теплопроводности из-за включения кислорода является другой проблемой при изготовлении подложки из AlN с высокой теплопроводностью.

Многие работы по увеличению плотности керамических тел из AlN с использованием различных видов спекающих добавок, таких как CeO, Sm 2 O 3 , Y 2 O 3 , CaO, CaZrO 3 и их кратные совместные добавки исследованы [2, 3, 4, 5]. Некоторые из недавних результатов, показывающих, что теплопроводность, полученная в поликристаллических телах, составляет 90–156 Вт / мК, как показано в Таблице 1, что намного ниже теоретического значения и имеет большой диапазон друг от друга.AlN, легированный церием (CeO), продемонстрировал резкое увеличение теплопроводности и значительное увеличение механической прочности при небольшом количестве добавки (~ 1,5 мас.%) По сравнению с добавкой оксида иттрия (Y 2 O 3 ) [2] . Для эффективного процесса низкотемпературного уплотнения применялся метод высокоэнергетического спекания, такой как искровое плазменное спекание (SPS) [3, 4], а также традиционный метод твердофазной реакции (SSR) [2]. Техника двухэтапного спекания также проводилась с использованием различных температур для минимизации роста зерен и очистки зерен AlN [5] (рис. 1).

Химический состав Спекающие добавки Теплопроводность (Вт / мК) Механические свойства Температура спекания / метод Ref.
AlN 1,5 мас.% CeO 156 72,46 кг / мм 2 1900 ° C / SSR [2]
AlN 2 мас.% Sm 2 O 3 120 1700 ° C / SPS [3]
AlN Y 2 O 3 -CaO-B 90 1650 ° C / SPS [4]
AlN CaZrO 3 -Y 2 O 3 156 560 МПа 1550 ° C / двухступенчатый [5 ]

Таблица 1.

Физические свойства керамики AlN с добавлением спекающих добавок и методы уплотнения.

Рисунок 1.

Влияние легирования Ce и Y на теплопроводность и твердость керамики AlN [2].

2.1.2. Композиты AlN с GNP / GNS / rGO: электропроводящие

Наноструктурированные материалы на основе углерода, такие как нанопластинки графена (GNP) или нанолисты (GNS), были добавлены в матрицу AlN для улучшения физических свойств (Таблица 2). Электропроводность была увеличена с добавлением многослойного графена, как и ожидалось, но теплопроводность была уменьшена с добавлением как в плоскости, так и в направлении через плоскость, что противоречит другим данным по композитам керамика / графен.Такое резкое снижение теплопроводности в обоих направлениях, по-видимому, объясняется большим термическим сопротивлением в тонкой зоне взаимодействия, существующей на границе раздела между AlN и GNP [6]. Высокая направленность в плоскости и в сквозной плоскости композитов AlN / GNP, 74 Вт / мК для плоскости и 37 Вт / мК для сквозной плоскости, приписывается термическому контактному сопротивлению, существующему в обеих межфазных границах раздела фаз. в перпендикулярном направлении теплопередачи графеновых нанопластинок [7]. Эту сильную направленность теплопередачи, теплопроводности, можно легко обнаружить в композитной системе нитрид бора (BN) / полимер, в которой используются наполнители BN с двумерной морфологией [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].В случае AlN с добавлением восстановленного оксида графена (rGO) теплопроводность резко снизилась с 92,5 до 37,4 Вт / мК при добавлении 2 мас.% RGO, хотя наблюдается небольшое увеличение прочности на изгиб и вязкости разрушения при ≤1 мас.% rGO, что связано с низкой кристалличностью, большим количеством вакансионных дефектов в rGO и повышенным межфазным термическим сопротивлением [8]. Снижение теплопроводности композитов AlN с этими тремя двумерными наполнителями на основе углерода показало почти аналогичные результаты, поскольку GNP, GNS и rGO в основном имели те же морфологию и физические свойства.Материалы с высокой теплопроводностью и высокой направленностью теплопередачи могут использоваться в приложениях с направленным отводом тепла в качестве материалов для термоинтерфейса (ТИМ) (рисунки 2 и 3).

Химический состав Добавки Теплопроводность (Вт / мК) Механические свойства Температура спекания / метод Ref.
AlN-2,9 мас.% Y 2 O 3 -GNP ~ 10 об.% GNP 0.1 об.% 74 (в плоскости)
37 (в плоскости)
1700-1750 / SPS [6]
AlN-2wt% Y 2 O 3 GNS 1,49 об.% FS = 441 МПа
FT = 4,09 МПа 1/2
1850 / горячее прессование [7]
AlN rGO 1 мас.% 92,5 — > 37,4 (2 мас.%) FS = 375 МПа 1550 / SPS [8]

Таблица 2.

Физические свойства AlN с добавлением углеродных наноматериалов.

FS: Прочность на изгиб; FT: вязкость разрушения; SPS: Искровое плазменное спекание

Рис. 2.

Данные по электропроводности переменного тока (a) и теплопроводности (b) с содержанием ЗНЧ в композитах AlN [6].

Рисунок 3.

Вязкость разрушения и прочность на изгиб композитов AlN / GNS [7].

2.1.3. Si
3 N 4 основная керамика

Керамика из нитрида кремния (Si 3 N 4 ) вызывает большой интерес как диэлектрический материал с высокой теплопроводностью, используемый в изолированных металлических подложках (IMS) для силовой электроники. схемные модули.Si 3 N 4 имеет несколько преимуществ: высокие механические свойства (прочность на изгиб> 800 МПа, твердость по Виккерсу> 10 ГПа), высокое удельное электрическое сопротивление и отличные термические свойства с термическим сопротивлением, высокая теплопроводность 70–180 Вт / мкр. Однако в действительности изготовление Si 3 N 4 с высокой теплопроводностью и высокой механической прочностью непросто из-за трудностей с уплотнением и морфологическим контролем микроструктуры. Типичными подходами к получению такой высокой производительности Si 3 N 4 являются: (i) использование сырья с низким содержанием кислорода для удаления вакансий Si, вызывающих рассеяние фононов, (ii) изготовление керамики Si 3 N 4 с текстурированной микроструктурой для использования термической анизотропии в кристаллах Si 3 N 4 , (iii) использование неоксидных спекающих добавок с низким содержанием кислорода, чтобы избежать содержания кислорода в оксидной фазе, и (iv) выбор оптимальных добавок, которые могут минимизировать вакансии Si [9].Некоторые из выбранных результатов, основанных на этих подходах, суммированы в таблице 4. Когда неоксидные добавки, такие как YF 3 , были добавлены к Si 3 N 4 с MgO вместо Y 2 O 3 , механический прочность и теплопроводность увеличены с 40 до 52; она была дополнительно увеличена до 75 Вт / мК после обработки отжигом при 1850 ° C. Однако твердость по Виккерсу несколько снизилась из-за большего размера частиц, чем при добавке Y 2 O 3 [9].Теплопроводность Si 3 N 4 увеличилась до 100 Вт / мК при добавлении Yb 2 O 3 / SiO 2 и уменьшении диэлектрических потерь с 11,5 × 10 −4 до 1,4 × 10 −4 (2 ГГц) путем изменения отношения от 0,33 до 1,3 [10]. Влияние условий нитрования и спекания на механические и термические свойства спеченного реакционно связанного Si 3 N 4 (SRBSN) с добавками Y 2 O 3 -MgO, а также на увеличение размера зерна и внешнего вида Соотношение уменьшило твердость и вязкость разрушения при увеличении теплопроводности.Твердость по Виккерсу 17,32 ГПа, вязкость разрушения 8,36 МПа · м 1/2 и теплопроводность 98,52 Вт / м · К были получены путем регулирования нитрования и спекания под давлением газа (GPS) [11]. Проведено сравнительное исследование влияния оксидных и неоксидных добавок на микроструктуру, содержание кислорода в решетке и теплопроводность керамики Si 3 N 4 . Неоксидные добавки, такие как MgSiN 2 , YF 3 , YbF 3 , вызывали уменьшение количества вторичных фаз и содержания кислорода в решетке, тем самым увеличивая теплопроводность с 65 до 101.5 Вт / мК, в то время как прочность на изгиб существенно не изменилась [12].

Химический состав Добавки Теплопроводность (Вт / мК) Температура спекания / метод Арт.
AlN – BN Sm 2 O 3 -CaF 2 40–85 1800 / SPS [17]
AlN – BN (15%) Y 2 O 3 141 1800 / SPS [18]
AlN – BN CaF 2 110 1850 / горячее прессование [19 ]
(Al-ON) –BN ⊥14, // 42.5 1900 / горячее прессование [20]

Таблица 3.

Теплопроводность композитов AlN – BN.

Основной элемент Спекающие добавки Теплопроводность (Вт / мК) Механические свойства Условия спекания Ref.
Si 3 N 4 YF 3 , MgO 52–75 87 МПа / 14.8 ГПа 1750–1850 ° C / 20 МПа [9]
Si 3 N 4 Yb 2 O 3 , SiO 2 46–100 1900 ° C / 0,9 МПа [10]
Si 3 N 4 Y 2 O 3 , MgO 98,52 — / 17,52 ГПа 1950 ° C / GPS [11]
Si 3 N 4 MgO-Y 2 O 3 , MgSiN 2 -Y 2 O 3 , MgSiN 2 -YF 3 , MgO-Yb 2 O 3 , MgSiN 2 -Yb 2 O 3 и MgSiN 2 -YbF 3 .5 862 МПа 1800 ° C / 250 МПа [12]

Таблица 4.

Физические свойства Si 3 N 4 керамика с добавлением спекающих добавок и методами уплотнения.

2.1.4. Композиты на основе AlN-BN: электроизоляционные

Нитрид бора (BN) был введен в матрицу AlN для обеспечения низкой диэлектрической проницаемости и умеренной теплопроводности [17]. Нитрид бора (h-BN) имеет гексагональную структуру с хорошей термостойкостью и высокой теплопроводностью вместе с предпочтительным направлением теплопередачи, т.е.е., анизотропия теплопроводности в плоскости и через плоскость подложки из-за двумерной формы чешуек BN или нанолиста BN. Коэффициент теплопроводности в плоскости и в плоскости составляет около 300 и 30 Вт / мК, а среднее кажущееся значение составляет 33 Вт / мК. H-BN имеет низкую диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь, ε r = 4–4,6, tan δ = 0,0012–0,0017 на частоте 8,8 ГГц и электрическую прочность при переменном токе = 67–95 кВ, которая варьируется в зависимости от чистоты. Благодаря этим превосходным свойствам BN использовался во многих приложениях, например, в корпусах микроэлектроники, особенно в частях управления температурой, таких как радиаторы, подложки для силовых электронных устройств и т. Д.Добавление BN к AlN также может улучшить химическую стойкость и влагостойкость, поскольку AlN может медленно гидролизоваться в воде (таблица 3).

В композитах AlN – BN с 8 мас.% Sm 2 O 3 -CaF 2 в качестве спекающей добавки максимальная теплопроводность 85 Вт / мК и наименьший тангенс угла потерь 4 × 10 −3 были получены при температуре спекания 1800 ° C методом SPS. Полученная теплопроводность была ниже, чем у чистого AlN, потому что пластинчатые частицы BN, случайно распределенные вдоль матрицы AlN, препятствуют прямому контакту AlN, так что рассеяние фононов подавляется [17].При добавлении оксида иттрия (Y 2 O 3 ) в композиты AlN – 15% BN от 3 до 8 мас. в остаточной зернограничной фазе, содержащей иттрий, методом SPS [18]. Добавление CaF 2 и повышение температуры также улучшили уплотнение, теплопроводность и очистку границ зерен в системе AlN – BN. В результате была получена высокая теплопроводность 110 Вт / мК при добавлении 3 мас.% CaF 2 и спекании при 1850 ° C [19].В системе оксинитрид алюминия (γ-AlON) –BN, которая была получена в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), зерна h-BN пластинчатой ​​формы переориентируются во время процесса горячего прессования, что приводит к анизотропии теплопроводности. Теплопроводность композитов (γ-AlON) –BN составляла 14 Вт / мК для направления зерен BN через плоскость и 42,5 Вт / мК для направления в плоскости, которое перпендикулярно силе горячего прессования [20] (Рисунок 4 ).

Рисунок 4.

Композиционная зависимость теплопроводности композитов в системе (γ-AlON) –BN, определенная в (а) перпендикулярно и (б) параллельно силе прессования [20].

2.2. Композиты с полимерной матрицей с керамическими наполнителями с высокой теплопроводностью

Композиты с полимерной матрицей для терморегулирующей упаковки обычно наполнены керамикой с высокой теплопроводностью, такой как AlN, h-BN, и наполнителями на основе углерода, такими как углеродные нановолокна (УНТ), графит или графеновые нанолисты (GNS) и восстановленный оксид графена (rGO). Полимеры с керамическими наполнителями AlN и h-BN в основном предпочтительны из-за высокой теплопроводности с электрически изолирующими теплопередающими подложками или материалами термоинтерфейса (TIM) из-за высокой теплопроводности, низкой диэлектрической проницаемости и характеристик низких потерь керамики AlN и BN.С другой стороны, наполнители на основе углерода предпочтительны в TIM, где допускаются электропроводящие характеристики.

2.2.1. Полимер: композиты BN

В полимерных композитах с наполнителем из гексагонального нитрида бора (h-BN) основными проблемами для улучшения теплоотдачи является обработка поверхности пластинчатых частиц h-BN для улучшения дисперсии частиц наполнителя в полимерной матрице. ; снизить термическое сопротивление интерфейса; и для увеличения ориентации частиц h-BN с предпочтительной ориентацией для достижения высокой направленной теплопроводности в композитах.В таблице 5 приведены некоторые технические попытки улучшить свойства теплопередачи композитов полимер – BN [13, 14, 15, 16, 21, 22, 23, 24].

Состав BN% Теплопроводность (Вт / мК) Метод выравнивания BN Ref.
BN – эпоксидный 10–20 74% ↑ Механический и магнитный [13]
BN – силикон 20 250% ↑ E-field ( AC, DC) [14]
BN – полисилоксан 15 об.% 400% ↑ AC / коммутационный DC [15]
BN – PVA 27 об.% 1.63 Вт / мК ⊥ / 8,44 Вт / мК // Инфильтрация раствора ПВС [16]
BN – полиуретанакрилат (PUA) 30 об.% 190% ↑ (в плоскости)
72 % ↓ (через плоскость)
Электронное поле
(TiO 2 -покрытый BN)
[21]
BN – PEN (нитрид поли (ариленэфира)) 30 мас.% 140 % Магнитная модификация, вдохновленная мидиями (Fe 3 O 4 / PDA + KH550) [22]
BN 3.49 Вт / мК (45,4%) Силановые связующие вещества с различной углеродной цепью [23]
BN – PVA 50 об.% 1,1 Вт / мК ⊥ / 13 Вт / мК // Механическое расслоение, сжатие [24]

Таблица 5.

Примеры теплопроводности композитов полимер – БН.

Комбинированный метод, который использует механическую вибрацию и вращающееся магнитное поле, индуцированное высокой степенью выравнивания 10% наполненного композита, продемонстрировало улучшение теплопроводности на 74% по сравнению с невыровненным образцом за счет образования проводящей сетки и снижения сопротивления термической границы. .Снижение термического сопротивления границ между h-BN и смолой на основе бисфенола-A было вызвано высокой степенью выравнивания тромбоцитов h-BN посредством комбинированного процесса [13].

Изучено влияние электрических полей переменного и постоянного тока на анизотропно выровненную микроструктуру в композитах силиконового каучука, наполненных h-BN. Было обнаружено, что степень переориентации h-BN была более эффективной под действием переменного тока, чем под действием постоянного тока, во время процесса отверждения композита h-BN-силиконовый (Рисунок 5), а теплопроводность электронного поля Композит с вспомогательным отверждением был примерно на 250% выше, чем отвержденный без поля E [14].В недавнем исследовании наибольшее общее количество линейных плотно упакованных нанолистов BN (LDPBN) было сформировано путем приложения поля переменного тока, а утолщение LDPBN и сужение межчастичных промежутков были достигнуты путем приложения переключающего поля постоянного тока (Рисунок 6). В результате теплопроводность была увеличена в четыре раза по сравнению с композитом без структуры LDPBN [15].

Рисунок 5.

Теплопроводность композитов BN / силикон при различных объемных долях [14].

Рисунок 6.

Схематическая модель генерации путей с более высокой проводимостью через LDPBN с использованием различных приложений электрических полей [15].

Гибкая композитная лента h-BN / поли (виниловый спирт) была изготовлена ​​путем инфильтрации раствора поливинилового спирта (PVA) в пакет h-BN с вакуумной фильтрацией для уменьшения зазора между частицами h-BN и для увеличения степени выравнивания тромбоцитов h-BN. Полученные таким образом композиты h-BN / PVA имели плоскую и сквозную теплопроводность равную 1.63 и 8,44 Вт / мК соответственно [16]. В той же системе h-BN / PVA степень ориентации пластинчатых частиц h-BN может быть улучшена литьем под давлением [24], где степень ориентации частицы h-BN можно наблюдать по характерным пикам в данных рентгеновской дифракции (XRD). Чтобы улучшить выравнивание частиц h-BN, также исследуется нанесение на частицы h-BN покрытия из материалов, чувствительных к электрическому или магнитному полю, таких как TiO 2 или Fe 3 O 4 , на частицы h-BN для улучшения теплопроводность [21, 23].Частицы h-BN, покрытые TiO 2 с помощью золь-гель процесса, были выровнены в вертикальном направлении к приложенному полю, так что теплопроводность через плоскость композита h-BN / полиуретанакрилат (PUA) увеличилась на 190 %, в то время как плоская теплопроводность композита снизилась на 72% по сравнению с необработанным композитом h-BN [21]. Композиты h-BN / поли (ариленэфирнитрил) с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой теплопроводностью (PEN) были разработаны путем магнитного выравнивания h-BN через покрытие из магнитных частиц Fe 3 O 4 вместе с дополнительной модификацией поверхности полидофамином (PDA) и функциональным мономером KH550: (3-аминопропил) триэтоксисилан).Эти модификации поверхности улучшили диспергирование наполнителей h-BN в матрице PEN и межфазную адгезию. В композитной системе BN / Fe 3 O 4 / PDA + KH550 / PEN как диэлектрическая постоянная, так и тангенс угла потерь были значительно увеличены с увеличением количества BN / Fe 3 O 4 / PDA + KH550 и теплопроводность увеличена на 140% по сравнению с чистой пленкой PEN [22]. Было исследовано увеличение теплопроводности в композитах h-BN / эпоксид за счет модификации поверхности частиц h-BN с помощью силановых связующих агентов с различными углеродными цепями.Теплопроводность композита h-BN / эпоксидная смола была улучшена на 45,4% за счет лучшей дисперсии h-BN в эпоксидной смоле, чем необработанный h-BN, что объясняется более высоким межфазным сродством композита, полученного с использованием более длинной углеродной цепи силана. на поверхности h-BN [23] (рис. 7, 8, 9).

Рис. 7.

Теплопроводность композита h-BN / PUA и TiO 2 Композит h-BN / PUA с покрытием до и после выравнивания электрического поля: (a) сквозная и (b) плоская теплопроводность [21].

Рисунок 8.

Теплопроводность чистого PEN и BN / Fe 3 O 4 / PDA + KH550 / PEN композитных пленок с различным содержанием наполнителя [22].

Рис. 9.

Теплопроводность композитов h-BN / эпоксид с необработанным BN, MPCB (Al 2 O 3 / эпоксид), силаном (C3) / BN и силаном (C16) / BN [23 ].

Было исследовано влияние размеров частиц h-BN, расслоения частиц BN и сжатия композитов h-BN / PVA на поведение теплопроводности [24].Рисунок 10 (а) показывает, что теплопроводность композитов h-BN / PVA была увеличена почти в два раза, когда чешуйки h-BN в полученном виде расслаивались в тонкий нанолист h-BN. Кроме того, частицы h-BN с меньшим размером показали более высокую теплопроводность в композитах h-BN / PVA, как показано на рисунке 10 (b). Дальнейшее увеличение теплопроводности композитов h-BN / PVA было достигнуто за счет одноосного термического сжатия после литья из раствора композитной пленки h-BN / PVA при 90 ° C, что выше температуры стеклования полимера PVA.На рисунке 11 показаны микрофотографии FE-SEM поперечных сечений композитов 30 об.% H-BN / PVA до (а) и после сжатия, которые ясно показывают ориентацию частиц h-BN перпендикулярно направлению прессования (b). Сквозная (поперечная) и плоскостная теплопроводности, измеренные методом лазерной вспышки, показаны вместе с теоретическим моделированием на рисунке 12. Две модели, арифметическая и винеровская, используются для расчета двухфазной композитной системы со следующими уравнения.

Рис. 10.

Влияние механического расслоения (а) и размеров частиц h-BN (b) на теплопроводность через плоскость композитов h-BN / PVA [24].

Рис. 11.

Поперечные сечения композитных пленок 30 об.% H-BN / PVA, наблюдаемые с помощью FE-SEM: (а) без сжатия и (б) в сжатом состоянии [24].

Рис. 12.

Влияние одноосного сжатия на поперечную и плоскую модовые теплопроводности композитных пленок h-BN / PVA: (а) несжатые и (б) сжатые образцы [24].

Арифметическая модель:

λ = cλ1 + 1 − cλ2E1

где, c = пропорция компонента 1.

1 –c = пропорция компонента 2

λ 1 , λ 2 = теплопроводность компонента 1, 2.

Модель Винера:

λ / λ2 = 1 − c1 − λ1 / λ2 / 1 + αλ1 / λ2 / 1 + αc1 − λ1 / λ2 / 1 + αλ1 / λ2E2

, где , α = 0,5 для модели дисперсии, λ 1 2 .

В этом расчете теплопроводность ПВС и h-BN была принята равной 0.2 и 33 Вт / мК соответственно. В плоскости, перпендикулярной направлению сжатия, теплопроводность была в 5 раз выше, чем у сквозной плоскости для несжатых образцов, и имела в 10 раз более высокие значения для сжатых образцов. Наивысшая теплопроводность, полученная при 50 об.% ПВС композита, нагруженного h-BN, составила 13 Вт / мК в режиме в плоскости, в то время как в режиме через плоскость была около 1,1 Вт / мК, что ниже, чем у несжатого образца [ 24]. Уменьшение теплопроводности в моде через плоскость в композитах h-BN / PVA связано с уменьшением контакта частиц через плоскость за счет выравнивания пластинок h-BN параллельно направлению в плоскости, что приводит к увеличению пути теплопроводности в плоскости и уменьшающиеся пути теплопроводности через плоскость.Модель Винера кажется более близкой к экспериментальным данным, чем арифметическая модель, но разрыв между этими теоретическими и экспериментальными данными велик, что указывает на то, что все еще остается много факторов, которые необходимо улучшить, чтобы достичь оптимальных условий при изготовлении композитов полимер / керамика с высокая теплопроводность.

Таким образом, было исследовано несколько методов увеличения теплопроводности композитов h-BN / полимер. Примерами являются (i) модификация поверхности частиц h-BN функциональными органическими веществами для улучшения сродства и дисперсии раствора h-BN / PVA, (ii) нанесение диэлектрических и железных керамических материалов на частицу h-BN для повышения характеристик выравнивания. с приложением электрического и магнитного поля, (iii) расслоение хлопьев h-BN на тонкие нанолисты h-BN для лучшего соединения частиц при заданной загрузке наполнителя, и (iv) механическое сжатие, чтобы способствовать выравниванию частиц и контакту между частицами.

2.2.2. Полимер: композиты AlN

Нитрид алюминия (AlN) является приоритетным выбором в качестве наполнителя в композитах полимер / керамика с высокой теплопроводностью, поскольку он обладает высокой теплопроводностью (320 Вт / мК, теоретически) и хорошей изоляцией (удельное электрическое сопротивление> 10 14 Ом · см), низкая диэлектрическая проницаемость (2,2–3,7 при 1 МГц) и низкий КТР (4,4 ppm / ° C), близкий к кремнию. В композитах AlN / PMMA (полиметилметакрилат) горячего прессования теплопроводность 1.87 Вт / мК было получено при 70 об.% Композита, нагруженного AlN, что примерно в 10 раз выше, чем у смолы ПММА (0,18 Вт / м · К), как показано на Фигуре 13 (а). Диэлектрическая проницаемость и потери композита составляли 4,4 (рис. 13 (б)) и 0,017 на частоте 1 МГц [25]. В композитах полипропилен (PP) / AlN с трехмерной сегрегированной структурой, полученных путем механического измельчения смеси PP и AlN с последующим горячим прессованием при 190 ° C, были получены композиты PP / AlN со структурой сердцевина-оболочка. Сравнительные результаты этого трехмерного композита со структурой ядро ​​– оболочка с традиционными композитами, смешанными из раствора и расплава, показали, что этот механически измельченный композит с 10 об.% AlN показал на 23% более высокую теплопроводность, чем другие [26].Теплопроводность жидкого раствора полипропиленгликоля (PPG), нагруженного нитридом алюминия, также была изучена, и результаты показали, что теплопроводность жидкостей AlN / PPG зависела от твердой нагрузки AlN и молекулярной массы PPG [27].

Рис. 13.

Экспериментальные и расчетные данные теплопроводности композитов ПММА / AlN с различными наполнителями AlN [25].

Таким образом, несмотря на усилия по увеличению теплопроводности в композитах полимер / керамика, теплопроводность, полученная в композитах с полимерной матрицей с керамическим наполнением, все еще намного ниже, чем у полностью керамических основных материалов из-за низкой теплопроводности в полимерной матрице. который ограничен в улучшении теплопроводности, когда они являются электрически изолирующими.Таким образом, необходимы дальнейшие разработки в разработке полимеров с высокой теплопроводностью и электрической изоляцией, чтобы получить максимально высокую теплопроводность в полимерно-керамических композитах, поскольку теплопроводность керамических наполнителей с большей вероятностью будет зависеть от их собственной внутренней природы и вряд ли изменено материаловедением и инженерными манипуляциями.

2.3. Керамика LTCC с высокой теплопроводностью

Низкотемпературная керамика, подвергнутая совместному обжигу (LTCC), имеет несколько преимуществ в корпусе микроэлектроники.Типичная температура спекания LTCC ниже 1000 ° C, поэтому их можно обжигать совместно с электродами с высокой проводимостью, такими как серебро (Ag) или медь (Cu). Большинство современных материалов LTCC состоит из матрицы из низкотемпературного плавящегося стекла и керамических наполнителей для функциональной регулировки, таких как электрические, механические и термические свойства, в зависимости от требований области применения. Следовательно, LTCC иногда называют стеклокерамикой, но технически LTCC является частью стеклокерамических композитов. Например, в области высокочастотных (ВЧ, микроволновая и миллиметровая волны) устройств и упаковочных подложек, керамический порошок с низкими потерями и низкой диэлектрической проницаемостью, такой как порошок оксида алюминия (Al 2 O 3 ), добавляется к низкочастотному. потеря стеклянной матрицы.В результате в процессе термообработки выделяются вторичные фазы из-за того, что часть частиц наполнителя из оксида алюминия вступает в реакцию со стеклянной матрицей. Интересно, что эти вторичные фазы способствуют улучшению диэлектрических свойств и механической прочности при выборе правильного состава частиц наполнителя и матрицы. LTCC использовался для многих приложений благодаря энергосбережению в процессе низкотемпературного спекания, отличным диэлектрическим свойствам, а также простоте интеграции и миниатюризации в 3D.Примерами являются модуль радиочастотной системы в корпусе (RF-SiP), корпуса светодиодов, высокотемпературные датчики, корпус микроэлектромеханической системы (MEMS), микронагреватели, микрофлюидика и т. Д. [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38].

2.3.1. Стеклокерамическая основа Система LTCC

В последнее время быстро расширяется использование изоляционной керамической подложки с высокой теплопроводностью, чтобы улучшить свойство теплопередачи интегрированного электронного устройства и корпуса. Поскольку традиционные НТКК основаны на системе стекломатричного керамического композита (ГМС) с низкой теплопроводностью стеклянной фазы (1-2 Вт / мК), теплопроводность большинства НТКК составляет всего 2-5 Вт / мК, поскольку показано в Таблице 6 [38, 39, 40, 41, 42, 43, 44], что все еще выше, чем FR-4 (обычно 0.1–0,2 Вт / мК), но намного ниже, чем у объемной керамики с высокой теплопроводностью, такой как оксид алюминия, AlN или Si 3 N 4 .

Категория Код производителя / химический состав
Температура спекания
(° C)
Теплопроводность
(Вт / мК)
CTE
(ppm / ° C )
Диэлектрическая проницаемость Диэлектрические потери Ref.
Коммерческая продукция ESL41110-70C 2.5–3 6,4 4,3 0,004 [37, 38]
Heraeus CT2000 850 3 5,6 9,1 0,002 [37, 39]
DuPont 951 850 3,2–3,9 5,8 7,8 0,006 [37, 40]
DuPont 9K7 850 4,6 4,4 7,1 0,001 [37, 41]
DuPont 943 850 4.4 6 7,4 0,002 [37, 42]
Ферро A6 850 2 7 5,9 0,002 [37, 43]
Мурата 850 2,5 5,5 7,7 [37, 44]
Исследовательские работы MgO – CaO – Al 2 O 3 –SiO 2 900 1.95–2,6 8 [33, 45]
Al2O 3 –BBSZ стекло 850 7,2 6,9 10,9 0,009 [46]
ZnTiO 3 –B 2 O 3 900 6,6 20 0,001 [47]
ABS – MWCNT 2,2 [48]
CAS + β-Si 3 N 4 850 7.9 7,1 0,006 [49]
LZT – LMZBS 900 5,8 11,97 [50]
Стекло – алмаз 750 9,01 4,35 [51]
Al 2 O 3 / стекло + нитевидный кристалл AlN / углеродное волокно / медное волокно 850 38,9 4,6–6 .1 6,6–7,4 [52]
Боросиликатное стекло – AlN – β – Si 3 N 4 850 18,8 4,2–4,4 6,5 0,0016 [53]

Таблица 6.

Физические свойства коммерческих систем LTCC и некоторые из недавних исследований по стеклокерамике с высокой теплопроводностью.

BBSZ: Bi 2 O 3 –ZnO – B 2 O 3 –SiO 2 , ABS: Al 2 O 3 –B 2 O 3 –S 2 , CAS: CaO – Al 2 O 3 –SiO 2 , LZT: Li 2 ZnTi 3 O 8 , LMZBS: Li 2 O – MgO – ZnO 2 O 3 –SiO 2

Увеличение теплопроводности в стеклокерамической системе может быть достигнуто путем перекристаллизации, добавления наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как Al 2 O 3 , AlN, BN , Si 3 N 4 частиц.Различные типы морфологии частиц наполнителя, такие как пластинчатые, волокнистые, предназначены для улучшения контакта между частицами, снижения межфазного термостойкости и адаптации направленности теплопередачи в подложке. Также исследуются микроструктурные манипуляции, такие как переориентация частиц наполнителя, низкая теплопроводность, удаление вторичной фазы и контроль границ зерен. Среди них некоторые из ключевых исследований приведены в Таблице 6 [33, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53].

В глиноземе (Al 2 O 3 ) стеклокерамическая система, наполненная MgO – CaO – Al 2 O 3 –SiO 2 , добавление глинозема снижает теплопроводность стекла. — керамика, где диопсид или анортитовая фаза является основной перекристаллизованной вторичной фазой, как показано на Рисунке 14.Теплопроводность стеклокерамики на основе диопсида и анортита, спеченной при температуре <1000 ° C, составляет 2,37 и 2,35 Вт / мК соответственно. Было обнаружено, что кристалличность является более важным фактором, чем соотношение диопозида и анортита, так что наибольшая прочность на изгиб и теплопроводность были получены на образцах с высокой кристалличностью, поскольку интенсивность основных пиков на рентгенограммах стеклокерамики составляет линейно пропорциональный [33, 45]. В системе стекла 40 мас.% Оксида алюминия – 60 мас.% BSSZ (Bi 2 O 3 –ZnO – B 2 O 3 –SiO 2 ) [46], заявленная теплопроводность составляет 7.2 Вт / мК необычно высока по сравнению с ранее известной стеклокерамикой [38, 39, 40, 41, 42, 43, 44] с высокой диэлектрической проницаемостью 10,9 и низкими потерями 0,009 на спеченной ленте.

Рисунок 14.

Зависимости теплопроводности для MgO – CaO – SiO 2 –Al 2 O 3 стеклокерамическая система на Al 2 O 3 добавок [33, 45].

Стеклокерамика из алюмоборосиликата (ABS), содержащая ≤15 мас.% Многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT), показала улучшение электропроводности на ~ 10 6 и теплопроводности на ~ 70%.Максимальная электропроводность 2,1 См / см была получена при добавлении 15 мас.% MWCNT к основному LTCC ABS, в то время как у чистого ABS было только ~ 10 -6 См / см. Порог перколяции существует в области добавления MWCNT 2,5–5 мас.% Благодаря равномерной дисперсии MWCNT до 10 мас.%, Что является относительно более высокой скоростью загрузки, чем другие [48] (Рисунок 15).

Рис. 15.

Тепловая и электропроводность с содержанием MWCNT для нанокомпозитов ABS – MWCNT [48].

В системе стекла из алюмосиликата кальция (CAS) теплопроводность была увеличена с 1.От 6 до 7,9 Вт / мК при 35 об.% Β-Si 3 N 4 нитевидных кристаллов, добавленных к CAS – Si 3 N 4 композитов были спечены при 775–850 ° C на воздухе (Рисунок 16 ) . Эта теплопроводность намного выше, чем у других систем LTCC [38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 46, 47, 50]. Однако теплопроводность снижалась, когда загрузка нитевидных кристаллов β-Si 3 N 4 превышала 35 мас.%. Диэлектрическая проницаемость и потери, измеренные на частоте 1 МГц, составили 7,1 и 0.006 соответственно [49].

Рис. 16.

Экспериментальные данные и теоретическая кривая теплопроводности композитов CAS – Si 3 N 4 в зависимости от содержания вискеров β-Si 3 N 4 [49].

Система Li 2 ZnTi 3 O 8 (LZT) с 1 мас.% LMZBS (Li 2 O: MgO: ZnO: B 2 O 3 : SiO 2 = 1: 1: 1: 1: 1) как спекающая добавка, теплопроводность 5.8 Вт / мК и КТР 11,97 частей на миллион / ° C были получены на образцах, спеченных при 875 ° C. Высокая диэлектрическая проницаемость и потери системы LZT – LMZBS на частоте 1 МГц составили 24,14 и 5,1 · 10 −4 соответственно. Микроволновые диэлектрические свойства спеченной ленты, измеренные методом разделенного постдиэлектрического резонатора (SPDR), составили ε r = 21,9, tan δ = 6 × 10 -4 при 5 ГГц и τ ε −29 ppm / °. C [50] (Рисунок 17).

Рисунок 17.

Данные измерения теплопроводности LZT + LMZBS, спеченного в массе при 900 ° C [50].

Стеклокерамика, наполненная монокристаллическими частицами алмаза размером 3–40 мкм, была исследована, и результаты показали самую высокую теплопроводность в композитах стекло-алмаз с алмазами размером 30 мкм, которые спекались при 750 ° C и показали самый низкий КТР, самый высокий теплопроводность и прочность на изгиб: 4,35 ppm / ° C, 9,01 Вт / мК и 108,25 МПа [51] (рис. 18).

Рис. 18.

Теплопроводность (а), КТР (б) и прочность на изгиб (в) стеклоалмазных НТКК, спеченных при 750 ° C [51].

Было изучено добавление одномерных материалов, таких как нитевидные кристаллы AlN, углеродные волокна и медные волокна, в композиты оксид алюминия / 30 об.% Стекла. Добавление нитевидных кристаллов AlN не улучшало теплопроводность по сравнению с добавлением порошка AlN, а волокнистые наполнители были более эффективными в увеличении теплопроводности композитов. Наивысшая теплопроводность, полученная в этих композитах, была Al 2 O 3 / стекло с 30 об.% Медных волокон, спеченных при 850 ° C, как показано на рисунке 19 [52].Удельное сопротивление Al 2 O 3 /30% стекла и Al 2 O 3 /30% стекла / 30% AlN-усов составляет 2,0–2,1 × 10 12 Ом · см, тогда как удельное сопротивление Композиты с добавлением 30% углеродного волокна и 30% медного волокна составили 8,7 × 10 -3 и 3,4 × 10 -6 Ом · см, соответственно. Следовательно, эти два электропроводящих композитных материала неприменимы для создания электроизоляционного материала для управления теплом, или они могут быть покрыты изолирующим стеклянным слоем на поверхности для повышения удельного электрического сопротивления [52].

Рисунок 19.

Изменение теплопроводности Al 2 O 3 / стеклянные композиты с добавлением одномерного наполнителя [52].

В LTCC композита боросиликатное стекло-AlN теплопроводность была увеличена с 11,9 до 18,8 Вт / мК за счет добавления 14 об.% Β-Si 3 N 4 нитевидных кристаллов, как показано на рисунке 20. Это улучшенное термическое воздействие. проводимость может быть обусловлена ​​образованием теплопроводящего пути за счет перекрытия изолированных частиц AlN через нитевидные кристаллы β-Si 3 N 4 .Диэлектрические свойства этих композитов составляют ε r = 6,5 и tan δ = 0,0016 на частоте 1 МГц, и значения существенно не меняются в зависимости от количества усов из-за их сходства диэлектрических свойств между AlN и Si 3 N 4 [53].

Рис. 20.

(a) Экспериментальные данные и теоретическая кривая теплопроводности керамических композитов CMBS – AlN – Si 3 N 4 как функция β-Si 3 N 4 усов объемная доля и (б) относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери керамических композитов CMBS – AlN – Si 3 N 4 в зависимости от объемной доли вискеров β-Si 3 N 4 [53].

2.3.2. Система LTCC без стекла

Системы LTCC без стекла или без стекла были исследованы для снижения сложности систем LTCC из-за наличия нескольких фаз, таких как стекло, частицы наполнителя и дополнительные спекающие добавки. Из-за их сложности при подготовке схем и устройств LTCC в интегрированном электронном модуле возникло несколько проблем. Чтобы преодолеть эту сложность химического взаимодействия и неоднородных диэлектрических свойств, а также трудности с диспергированием суспензии, были разработаны системы LTCC с простыми фазовыми компонентами [54, 55, 56, 57, 58, 59, 60] (таблица 7).

850
Химический состав Температура спекания (° C) Теплопроводность
(Вт / мК)
CTE
(ppm / ° C)
Диэлектрическая постоянная tan δ /
Q-фактор
Реакционная способность
с электродом
Арт.
CaO– (GeO 2 , SiO 2 , TeO 2 ) 780–1200 6.5 ~ 19,3 2,4 × 10 −3 ~ 1 × 10 −4 (МГц) N (Ag: германаты, силикат)
Y (Ag: теллурат)
[54]
AMPO 2 O 7 (A = Ca, Sr., M = Zn, Cu) 950 7,06 52,871
(ГГц)
Y (Ag)
N (Cu )
[55]
LiMgPO 4 950 7,1 10,5 6.4 0,0002 [56]
Bi 4 (SiO 4 ) 3 900 2,82 7,09 13,3 0,0007
(15 ГГц)
[57]
Li 2 Mg 2 Ti 3 O 8 925 0,45 (τf) 27 58,480
(5,8 ГГц)
N (Ag) [58]
Li 2.08 TiO 3 -LiF 900 4,75 22,4 22,4 35,490
(ГГц)
N (Ag) [59]
11ZnO-10MoO 3 1,3 4,7 11,1 [60]

Таблица 7.

Состав и физические свойства бессстекольных систем LTCC.

В традиционной системе LTCC стекло использовалось в качестве матричной фазы для понижения температуры спекания ниже 1000 ° C, поскольку функциональные диэлектрические керамические материалы в основном полностью уплотнялись при высоких температурах спекания, превышающих 1200 ° C, где металлы с высокой электропроводностью такие как Ag или Cu нельзя использовать в качестве согласующего электрода.LTCC, содержащие матрицу из стекловидной фазы, обычно демонстрируют низкую теплопроводность, как мы видели в таблице 6. В LTCC без стекла снижение температуры спекания ниже 1000 ° C является основным требованием без введения вторичных фаз, за ​​исключением незначительного содержания спекающего агента. Обнаружение низкотемпературного синтеза и низкотемпературного плавления кристаллической фазы керамического соединения является решающим моментом для разработки БТС без стекла. Не содержащие стекла составы LTCC, применимые в промышленности с доказанными механическими свойствами и надежностью, вряд ли найдены, хотя были опубликованы несколько первичных результатов исследований, показывающих превосходные диэлектрические свойства [54, 55, 56, 57, 58, 59, 60].Существенные проблемы, выявленные в предыдущих системах LTCC без стекла, заключаются в слабой механической прочности, реактивности с соответствующими материалами электродов во время термообработки и уязвимости во влажной среде.

В системе проростков кальция и силикатов диэлектрическая проницаемость составляла 6,5–10,8, добротность (Q × f) = 16000–39000 (@ 10 ГГц), температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости для образцов составляли 70–140 ppm / ° C. спекается при 1180–1200 ° C, что немного выше для обработки LTCC.Эти системы не показали химической реакции с Ag-электродом. С другой стороны, в системе теллуратов кальция диэлектрическая проницаемость составляла 15,5–23,6, Q × f = 13 400–49 300 (~ 10 ГГц), температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости составляли 130–140 ppm / ° C для образцов, спеченных при 780 ° C. –840 ° С; но эта система была уязвима на серебряном электроде. Высокотемпературные коэффициенты диэлектрической проницаемости подавлялись добавлением 10 мол.% CaTiO 3 [54].

Для AMP 2 O 7 (A = Ca, Sr.; B = Zn, Cu), все соединения прореагировали с Ag, но могут быть подвергнуты совместному сжиганию с Cu в восстановленной атмосфере. Среди них SrZnP 2 O 7 , спеченный при 950 ° C, показал диэлектрическую проницаемость 7,06, Q × f = 52,781 ГГц и температурный коэффициент резонансной частоты (τ f ) = -70 ppm / ° C; следовательно, это соединение может быть преобразовано в термостойкую композицию, если к нему смешать подходящий противодиэлектрический материал с отрицательным температурным коэффициентом. Теплопроводность этой системы не предусмотрена [55].

В ленте LiMgPO 4 , спеченной при 950 ° C, микроволновые диэлектрические свойства были: ε r = 6,4, tan δ = 0,0002, CTE = 10,5 ppm / ° C, а теплопроводность составляла 7,1 Вт / мК. , что вдвое выше, чем у обычных НТКК на основе стеклокерамики. Микроволновые диэлектрические свойства спеченной ленты были измерены с использованием метода разделенного постдиэлектрического резонатора (SPDR), соединенного с векторным анализатором цепей [56].

Bi 4 (SiO 4 ) 3 Система ленты LTCC без стекла показала диэлектрическую проницаемость 13.3, потери (тангенс δ) 0,0007 на частоте 15 ГГц и теплопроводность 2,82 Вт / мК [57]. Керамика Li 2 MgTi 3 O 8 , спеченная при 925 ° C, продемонстрировала диэлектрическую проницаемость 27, значение Q × f 58480 ГГц (при 5,8 ГГц) и очень стабильный температурный коэффициент резонансной частоты. τ f = 0,45 ppm / ° C. Эта система совместима с серебряным электродом [58]. Другой бессстекольный LTCC на основе Li — это система Li 2,08 TiO 3 –LiF, в которой диэлектрические свойства микроволнового излучения равны ε r = 22.4, Q × f = 35,490 ГГц были получены на спеченной ленте 900 ° C. КТР и теплопроводность системы составляли 22,4 ppm / ° C и 4,75 Вт / мК соответственно. Система также совместима с серебряным электродом и имеет высокий уровень изоляции 50 кВ / мм, что имеет потенциал в приложениях с высокой мощностью. Для вышеупомянутой системы, не содержащей стекла, полученная теплопроводность составляет 2,28–7,1 Вт / мК, что значительно выше, чем у большинства обычных НТКК на основе стеклокерамики [59]. Молибдат цинка с 1% B 2 O 3 , спеченный при 850–900 ° C, показал диэлектрическую проницаемость 11.1 КТР 4,7 ppm / ° C и напряжение пробоя 17,6 кВ / мм. Однако теплопроводность была относительно низкой, 1,4 Вт / мК, по сравнению с другими LTCC без стекла. Эта система может быть применима к высокотемпературным изолирующим диэлектрикам из-за низкого КТР и высокого напряжения пробоя [60].

Однако, несмотря на отличные диэлектрические и термические свойства, некоторые из не содержащих стекла соединений LTCC, содержащих литиевый элемент, имеют водорастворимую проблему, которая ограничивает область применения. Следовательно, им может потребоваться защитный слой покрытия, чтобы противостоять погодным условиям.

Что такое керамические материалы с высокой теплопроводностью?

Теплопроводность керамических материалов играет важную роль в их применении. В определенном диапазоне увеличение теплопроводности керамических материалов с помощью определенных методов улучшит их способность проводить теплопроводность, тепловую конвекцию и тепловое излучение, чтобы еще больше расширить область его применения. Керамические материалы с высокой теплопроводностью в основном состоят из оксидов, нитридов, карбидов и боридов, таких как поликристаллическая алмазная керамика, нитрид алюминия, оксид бериллия, нитрид кремния и карбид кремния.

Поликристаллический алмаз (PCD)

Diamond имеет высокую теплопроводность. Теоретическое значение теплопроводности его монокристалла составляет 1642 Вт / м • К при комнатной температуре, а измеренное значение — 2000 Вт / м • К. Однако крупный монокристалл алмаза сложно приготовить и он стоит дорого. В процессе спекания поликристаллического алмаза часто добавляют спекание СПИДа для улучшения связи между алмазными порошками и получения керамики PCD с высокой теплопроводностью.Однако помощник для спекания может катализировать карбонизацию алмазного порошка в процессе высокотемпературного спекания, так что поликристаллический алмаз больше не изолируется. Небольшой монокристалл алмаза часто добавляют в керамику с теплопроводностью в качестве армирующего материала для улучшения теплопроводности керамики.

Поликристаллическая алмазная керамика — это как технические материалы, так и новые функциональные материалы. В настоящее время поликристаллическая алмазная керамика широко используется в областях современной промышленности, национальной обороны, высоких и новых технологий благодаря своим превосходным механическим, термическим, химическим, акустическим, оптическим и электрическим свойствам.

Карбид кремния

В настоящее время карбид кремния (SiC) является активным теплопроводным керамическим материалом в стране и за рубежом. Теоретическая теплопроводность карбида кремния очень высока, достигая 270 Вт / м • К. Однако, поскольку отношение поверхностной энергии к межфазной энергии у керамических материалов SiC низкое, то есть энергия границ зерен высока, трудно получить высокочистую и плотную керамику SiC обычными методами спекания.При использовании традиционных методов спекания необходимо добавлять СПИД, а температура спекания должна быть выше 2050 ℃. Однако это условие спекания вызовет рост зерен SiC и значительно ухудшит механические свойства керамики SiC.

Керамика из карбида кремния

широко используется в высокотемпературных подшипниках, пуленепробиваемых пластинах, соплах, высокотемпературных коррозионно-стойких деталях, а также в высокотемпературном и высокочастотном диапазоне деталей электронного оборудования и других областях.

Нитрид кремния

Керамика из нитрида кремния (Si3N4)

привлекает все больше внимания исследователей в стране и за рубежом благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая ударная вязкость, высокая термостойкость, хорошая изоляция, коррозионная стойкость и нетоксичность. Прочность связи, средняя атомная масса и ангармонические колебания керамики из нитрида кремния аналогичны таковым у SiC. Теоретическая теплопроводность кристаллов нитрида кремния составляет 200 ~ 320 Вт / м • К.Однако, поскольку структура Si3N4 более сложная, чем структура нитрида алюминия (AlN), и рассеяние фононов больше, теплопроводность спеченной керамики Si3N4 намного ниже, чем у монокристалла Si3N4 в настоящем исследовании, что также ограничивает его масштабное продвижение и применение.

Оксид бериллия

Оксид бериллия (BeO) относится к гексагональной структуре вюрцита с небольшим расстоянием между атомами Be и атомами O, небольшой средней атомной массой и плотным скоплением атомов, что соответствует условиям модели Slack с

высокая теплопроводность монокристалла.В 1971 году Слэк и Ауатерман проверили теплопроводность керамики BeO и большого монокристалла BeO и подсчитали, что теплопроводность большого монокристалла BeO может достигать 370 Вт / м · К. В настоящее время теплопроводность приготовленной керамики BeO может достигать 280 Вт / м • К, что в 10 раз выше, чем у керамики из оксида алюминия (Al2O3).

Оксид бериллия широко используется в аэрокосмической, ядерной энергетике, металлургическом машиностроении, электронной промышленности, ракетостроении и т. Д.BeO широко используется в качестве несущих частей и узлов в схемах преобразования авионики, а также в системах авиационной и спутниковой связи; Керамика BeO обладает особенно высокой термостойкостью и может использоваться в пожарных трубах реактивных самолетов; пластина из ВеО с металлическим покрытием использована в системе управления приводным устройством самолета; Ford и General Motors используют накладки из оксида бериллия с металлическим напылением в системах зажигания автомобилей; BeO обладают хорошей теплопроводностью и легко поддаются миниатюризации, поэтому имеют широкие перспективы применения в области лазеров.Например, BeO-лазер имеет более высокий КПД и большую выходную мощность, чем кварцевый лазер.

Нитрид алюминия (AlN)

Керамика из нитрида алюминия является наиболее широко используемым материалом с высокой теплопроводностью. Теоретическая теплопроводность монокристалла нитрида алюминия может достигать 3200 Вт / м • К. Однако из-за неизбежных примесей и дефектов в процессе спекания эти примеси вызывают различные дефекты в решетке AlN, которые уменьшают среднюю свободу фононов и, таким образом, значительно снижают их теплопроводность.Помимо влияния дефектов решетки AlN на теплопроводность, размер зерна, морфологию, а также содержание и распределение второй фазы границы зерен также имеют важное влияние на теплопроводность керамики AlN. Чем больше размер зерна, тем больше средняя свобода фононов и выше теплопроводность спеченной керамики AlN.

Как типичный ковалентный комплекс, нитрид алюминия имеет высокую температуру плавления, низкий коэффициент самодиффузии атомов и высокую энергию границ зерен во время спекания.Поэтому трудно производить керамику AlN высокой чистоты обычными методами спекания. Кроме того, добавление соответствующего ожога СПИДа также может реагировать с кислородом в решетке с образованием второй фазы, очищать решетку AlN и улучшать теплопроводность.

Обычными добавками для спекания керамики AlN являются оксид иттрия (Y2O3), карбонат кальция (CaCO3), фторид кальция (CaF2), фторид иттербия (YF3) и т.д. спекание СПИДа в стране и за рубежом, а также керамика AlN с высокой теплопроводностью примерно до 200 Вт / м • К.Однако стоимость производства керамики AlN высока из-за длительного времени спекания, высокой температуры спекания и цены на высококачественный порошок AlN.

Тепловые свойства технической керамики

Обзор
Техническая керамика превосходит другие материалы, такие как металлы и сплавы, в приложениях, где в экстремальных условиях высоких или низких температур требуются продукты, которые могут работать без сбоев из-за расширения и сжатия, плавления или растрескивания.Керамика покрывает широкий спектр областей применения, где термостойкость, точность и термостойкость являются ключевыми факторами успеха и безопасности в работе.

Термические свойства характеризуют реакцию материала на изменения температуры. Многие из наших технических керамических материалов идеально подходят для определенных тепловых характеристик, в том числе для высокотемпературных и высокотемпературных прецизионных применений, за счет управления собственными свойствами и структурой материала. Многие технические керамические составы могут быть адаптированы в соответствии с тепловыми требованиями конкретного применения, когда критически важны теплопроводность, коэффициент теплового расширения и стойкость к тепловому удару.

Тепловые свойства технической керамики
Теплопроводность
Вт / м * К

Теплопроводность определяет, насколько хорошо материал распределяет тепло внутри себя. Сковороды обладают высокой теплопроводностью, что позволяет равномерно распределенному теплу быстро проникать в пищу. С другой стороны, изоляционные перчатки используются для работы с горячими предметами, поскольку их низкая теплопроводность предотвращает передачу тепла чувствительным рукам.Техническая керамика необычайно универсальна, демонстрируя широкий диапазон теплопроводности. В портфолио CoorsTek более 400 технических керамических составов, поэтому мы будем работать с вами, чтобы найти оптимальный материал для вашего применения.

Коэффициент теплового расширения ( 1X10 -6 / ° ° C)

Коэффициент теплового расширения
определяет степень теплового расширения 901 или контракты, основанные на температуре окружающей среды.Большинство материалов набухают под воздействием тепла, потому что энергия заставляет атомы двигаться быстрее, растягивая их связи. Керамика обычно имеет низкий коэффициент из-за сильных межатомных связей, что делает их более стабильными в широком диапазоне температур.

Удельная теплоемкость ( Дж / кг * К)

Удельная теплоемкость показывает, насколько легко или сложно повысить температуру продукта. В высокотемпературных приложениях, где регулирование температуры имеет решающее значение, это измерение показывает, какие продукты будут работать лучше всего.Керамика обладает исключительными характеристиками, когда речь идет о высоких требованиях к удельной теплоемкости, по сравнению со сталью.

Термостойкость ( ° C)

Термостойкость измеряет способность противостоять резким и резким перепадам температуры. Во время быстрого охлаждения сердцевина продукта остается, в то время как поверхность остывает, предотвращая равномерное тепловое сжатие. Многие технические керамические составы демонстрируют высокую термостойкость, что означает, что они минимально расширяются или сжимаются при экстремальных или быстрых изменениях температуры.

Факторы, влияющие на характеристики теплопередачи керамических материалов

Джулиса Грин |

Факторы, влияющие на характеристики теплопередачи керамических материалов

Просмотры сообщений: 1,675

С развитием технологий теплопроводная керамика как материал с высокой теплопроводностью, высокой температурой плавления, высокой твердостью, высокой износостойкостью, стойкостью к окислению и коррозионной стойкостью использовалась в химической промышленности, микроэлектронике, автомобилестроении, авиакосмической промышленности. , авиация, производство бумаги, лазер и другие области.

Для расширения области применения теплопроводящей керамики большое значение имеет улучшение ее характеристик теплопередачи. Но перед этим важно знать, что влияет на теплопроводность керамики. Ниже приводится краткое изложение влияющих факторов.

Существует три способа передачи тепла в керамике: конвекция, излучение и теплопроводность. Теплопроводность керамики зависит от ее состава, внутренней структуры, плотности, влажности, температуры термообработки, давления и других факторов.

Состав

У традиционной керамики невысокая теплопроводность, и причина низкой теплопроводности неотделима от сырья. Сырье для традиционной керамики — это в основном природное сырье из глины, кварца и полевого шпата, которые обладают низкой теплопроводностью. Следовательно, чтобы улучшить теплопроводность керамики, необходимо использовать легированные компоненты. Этот метод можно разделить на два типа в зависимости от различных свойств легированных компонентов: один заключается в добавлении неметаллических материалов в керамику, а другой заключается в добавлении металлических материалов.

Есть пример добавления неметаллических материалов. Теплопроводность красной плитки лучше, чем у обычной плитки, благодаря наличию в них Fe2O3 и кристаллической фазы муллита. Теплопроводность плитки можно улучшить, добавив соответствующее количество A1203, но температуру спекания керамики можно повысить, добавив слишком много. Чтобы уменьшить неблагоприятный эффект, некоторые исследователи использовали синергетический эффект графена и оксида алюминия, чтобы изменить внутреннюю структуру материала, таким образом получив керамический материал с лучшей теплопроводностью.

Есть еще один пример добавления металлических материалов. Показатели теплопередачи металла лучше, чем у большинства керамических материалов, и их сочетание может эффективно улучшить теплопроводность керамики. Некоторые исследователи успешно подготовили стабильный слой осмотического градиента металла, образованный взаимной диффузией керамики и металлической меди, который эффективно снижает термическое сопротивление керамических материалов.

Пора

В процессе спекания в теле будут образовываться более крупные поры или пузырьки из-за присутствия органических или неорганических солей, гранулированных примесей (таких как железо, частицы неразмолотых остатков и т. Д.)) в порошковой и избыточной стекловидной фазе. Появление пор неизбежно изменит способ теплопередачи в керамических материалах, что окажет значительное влияние на теплопередачу.

Теплопроводность — это основной способ передачи тепла в керамике с высокой плотностью и низкой температурой, в то время как такие режимы передачи тепла, как конвекция, излучение и теплопроводность, существуют в пористой керамике. Следовательно, при анализе теплопроводности керамики необходимо всесторонне учитывать размер пор, распределение и режим соединения.

Керамика с высокой пористостью

Внутренние дефекты и микроструктура

Влияние внутренних дефектов и микроструктуры на теплопроводность керамики в основном определяется фононным механизмом теплопроводности материалов. Все виды дефектов являются центром рассеяния фононов, поэтому они могут уменьшить средний свободный пробег фононов и теплопроводность. Внутренние дефекты также являются центром рассеяния фононов, и чем больше таких центров, тем больше потери энергии из-за рассеяния фононов.Поэтому при поиске эффективных методов увеличения теплопроводности материалов следует принимать такие меры, как добавление вспомогательных веществ для спекания и увеличение времени спекания, чтобы уменьшить возникновение дефектов в материалах.

Например, как карбид кремния (SiC), так и нитрид алюминия (AlN) обычно используются высокотеплопроводные керамические материалы, и их смесь теоретически должна иметь лучшую теплопроводность. Однако экспериментальные результаты показали, что, хотя керамика SiC становилась более плотной при добавлении определенного количества порошка AlN, наблюдались различия в размере частиц, межатомной силе и других силах между примесями и основными атомами, и возникающие внутренние дефекты приводили к снижение теплопроводности керамики SiC.

Процесс термообработки

Термическая обработка — один из наиболее важных процессов в процессе производства керамики, который влияет на ряд физических и химических изменений в заготовке, а также на микроструктуру и минеральный состав готового продукта. Различные компоненты керамики также изменяются в процессе термообработки.

Сводка

Подводя итог, чтобы улучшить характеристики теплопередачи керамики, следует рассматривать несколько переменных вместе, например, улучшение чистоты керамических материалов, увеличение плотности керамических материалов, уменьшение структурных дефектов, уменьшение пор, уменьшение границ зерен и уменьшение стеклофазы, надлежащий контроль размера частиц и разумная система обжига.Кроме того, добавление графена, графеноподобных и других неметаллических материалов для улучшения теплопроводности керамических материалов также может быть средством, заслуживающим дальнейшего изучения.

Пожалуйста, посетите http://www.samaterials.com для получения дополнительной информации.

Теги: Нитрид алюминия, Карбид кремния

Сообщение навигации

Керамический материал с высокой теплопроводностью

Керамика для высокотемпературных применений

Elcon специализируется на металлизации и пайке керамических компонентов с высокой теплопроводностью, чтобы повысить надежность высокотемпературных приложений, таких как фотоника, наведение ракет и медицинские устройства.Керамика с высокой теплопроводностью представляет собой решение для управления теплом для приложений, где требуется как высокая теплопередача, так и электрическая изоляция, а также для приложений, которые должны выдерживать экстремальные температуры, оставаясь химически инертными и стабильными при температурах выше 1000 ° C. Керамика с высокой теплопроводностью эффективно отводит и поглощает тепло из окружающей среды, что приводит к более низким температурам поверхности керамики и более надежному соединению металла с керамикой.

Керамика с высокой теплопроводностью: оксид бериллия (BeO), нитрид алюминия (AlN), нитрид кремния (Si3N4) и карбид кремния (SiC).

Во время этого процесса требуется тщательный выбор красок для металлизации, так как высокие температуры будут влиять на диффузию металлов, что может ухудшить адгезионную прочность металлизации при рабочих температурах выше 1100 ° C.При герметичной пайке тщательный выбор правильной краски и сплава припоя может иметь значение между успешным склеиванием и тем, которое претерпит преждевременное разрушение из-за утечек вакуума или нарушения адгезии. Elcon производит краски на заказ с 25-летней историей надежной работы при повышенных температурах. Наши уникальные возможности позволяют нам производить высококачественные детали без утечек быстро и по доступной цене для клиентов по всему миру.

Наши возможности

  • Производство электронных корпусов и сборок с использованием керамики с высокой теплопроводностью, включая оксид бериллия (BeO), нитрид алюминия (AlN), нитрид кремния (Si 3 N 4 ) и карбид кремния (SiC)
  • Толстопленочная металлизация на заказ
  • 3- и 6-осевая роботизированная металлизация
  • Схема металлизации методом трафаретной печати
  • Обработка влажным водородом до 1500 ° C
  • Обработка в вакуумных печах до 1600 ° C

Приложения

  • Лазеры
  • Медицинские изделия
  • Фотоника
  • Производство электроэнергии
  • Ракетное наведение
  • Полупроводниковые нагреватели
  • Системы рекуперации энергии

Отрасли, использующие керамику с высокой теплопроводностью

научных принципов

научных принципов

Введение:

Керамика обладает характеристиками, позволяющими использовать ее в широкий спектр применений, в том числе:

  • высокая теплоемкость и низкая теплоемкость проводимость
  • коррозионная стойкость
  • электрически изолирующий, полупроводниковый или сверхпроводящий
  • немагнитные и магнитные
  • твердый и прочный, но хрупкий

Разнообразие их свойств проистекает из их связи и кристаллические структуры.

Атомная связь:

В керамических материалах встречаются два типа механизмов связывания: ионный и ковалентный. Часто эти механизмы сосуществуют из того же керамического материала. Каждый тип связи приводит к разным характеристики.

Ионные связи чаще всего возникают между металлическими и неметаллическими элементами. элементы, которые имеют большие различия в своей электроотрицательности. Ионно-связанный конструкции, как правило, имеют довольно высокие точки плавления, так как связи прочные и ненаправленные.

Другим важным механизмом соединения в керамических структурах является Ковалентная связь. В отличие от ионных связей, по которым переносятся электроны, ковалентно связанные атомы разделяют электроны. Обычно элементы вовлечены неметаллические и имеют небольшую электроотрицательность различия.

Многие керамические материалы содержат как ионные, так и ковалентные связи. Общие свойства этих материалов зависят от доминирующего склеивающий механизм. Соединения, которые являются либо в основном ионными, либо в основном ковалентные имеют более высокие температуры плавления, чем соединения, в которых ни один из видов связи не преобладает.

Таблица 1: Сравнение% ковалентного и ионного характера с несколькими температурами плавления керамического компаунда.
Керамическое соединение Точка плавления% Ковалентный характер% Ионный символ
Оксид магния 2798 27% 73%
Оксид алюминия 2050 37% 63%
Диоксид кремния 1715 49% 1715 49% 51%
Нитрид кремния 1900 70% 30%
Карбид кремния 2500 89% 11%

Классификация:

Керамические материалы можно разделить на два класса: кристаллические и аморфные (некристаллические).В кристаллическом материалы, точка решетки занята либо атомами, либо ионами в зависимости от механизма связывания. Эти атомы (или ионы) расположены в регулярно повторяющемся узоре в трех измерений (т.е. имеют дальний порядок). Наоборот, в аморфных материалах атомы обладают только ближним порядком. Некоторые керамические материалы, такие как диоксид кремния (SiO 2 ), могут существуют в любой форме. Кристаллическая форма SiO 2 результаты когда этот материал медленно охлаждается от температуры (T> T MP @ 1723 ° C).Способствует быстрому охлаждению некристаллическое образование, так как время не отводится на заказ договоренности сформировать.

 Диоксид кремния кристаллический Аморфный диоксид кремния
(обычный образец) (случайный образец) 
Рисунок 1 : Сравнение физического строения обоих кристаллический и аморфный диоксид кремния

Тип связи (ионная или ковалентная) и внутренняя структура (кристаллическая или аморфная) влияет на свойства керамические материалы.Механические, электрические, тепловые и оптические Свойства керамики будут рассмотрены в следующих разделах.

Тепловые свойства:

Важнейшие термические свойства керамических материалов: теплоемкость, тепловое расширение коэффициент и теплопроводность. Многие приложения керамика, например, ее использование в качестве изоляционных материалов, относится к эти свойства.

Тепловая энергия может храниться или передаваться твердым телом.Способность материала поглощать тепло из окружающей среды составляет его теплоемкость. В твердых материалах при T> 0 K атомы постоянно вибрирует. На колебания атомов также влияют колебания соседних атомы через связь. Следовательно, вибрации могут передаваться через твердое тело. Чем выше температура, тем выше частота вибрации и тем короче длина волны связанной с ней упругой деформации.

Потенциальная энергия между двумя связанными атомами может быть схематично представлено схемой:

Рисунок 2: График, изображающий потенциальную энергию между двумя связанными атомы

Расстояние, на котором минимальная энергия (потенциальная яма) представляет собой то, что обычно называют длиной связи.Хороший аналогия — сфера, прикрепленная к пружине, с равновесием положение пружины, соответствующее атому на длине связи (потенциальная яма). Когда пружина сжимается или растягивается из положения равновесия, сила, тянущая его обратно к положение равновесия прямо пропорционально смещению (Закон Гука). После смещения частота колебаний равна наибольшая, когда есть большая жесткость пружины и шар с малой массой. Керамика обычно имеет прочные связи и легкие атомы.Таким образом, они могут иметь высокочастотные колебания атомов с малыми возмущения в кристаллической решетке. В результате они обычно имеют как высокую теплоемкость, так и высокую температуру плавления температуры.

С повышением температуры амплитуда колебаний связей увеличивается. Асимметрия кривой показывает, что межатомная расстояние также увеличивается с температурой, и это наблюдается как тепловое расширение. По сравнению с другими материалами керамика с сильные связи имеют глубокие и узкие кривые потенциальной энергии и, соответственно, малые коэффициенты теплового расширения.

Проведение тепла через твердое тело связано с передачей тепла энергия между колеблющимися атомами. Продолжая аналогию, рассмотрим каждая сфера (атом) должна быть связана со своими соседями сетью из пружины (скрепки). Вибрация каждого атома влияет на движение соседних атомов, и в результате возникают упругие волны, которые распространяются через твердое тело. При низких температурах (до около 400), энергия проходит через материал преимущественно через фононы, упругие волны, которые проходят через скорость звука.Фононы — это результат колебаний частиц, которые увеличение частоты и амплитуды при повышении температуры. Фононы путешествуют по материалу, пока не рассеются, либо за счет фонон-фононного взаимодействия *, либо на дефектах решетки. Фононная проводимость обычно уменьшается с повышением температуры в кристаллическом материалов по мере увеличения количества рассеяния. Аморфная керамика которые не имеют упорядоченной решетки, испытывают еще большее рассеяние, и поэтому плохие проводники.Те керамические материалы, которые состоит из частиц одинакового размера и массы с простыми структуры (такие как алмаз или BeO) подвергаются наименьшему количеству рассеивают и поэтому обладают наибольшей проводимостью.

При более высоких температурах фотон проводимость (излучение) становится преобладающим механизмом передача энергии. Это быстрая последовательность поглощения и испускания фотонов, которые путешествовать со скоростью света. Этот режим проведения особенно важно в стекле, прозрачный кристаллическая керамика и пористая керамика.В этих материалах теплопроводность увеличивается с повышением температуры.

Хотя на теплопроводность влияют неисправности или дефекты кристаллической структуры, изолирующие свойства керамика существенно зависит от микроскопических дефектов. В передача любого типа волны (фононной или фотонной) прерывается границами зерен и поры, поэтому более пористые материалы являются лучшими изоляторами. Использование керамических изоляционных материалов для печей и промышленных печи — одно из применений изоляционных свойств керамические материалы.

Электронный механизм переноса тепла относительно не имеет значения в керамике, потому что заряд локализован. Этот механизм очень важно, однако, для металлов, которые имеют большое количество свободные (делокализованные) электроны.

* Фонон-фононные взаимодействия — еще одно следствие асимметрия потенциала взаимодействия между атомами. Когда разные фононы перекрываются в месте расположения конкретного атома, колебательные амплитуды накладываются друг на друга.В асимметричном потенциале ну, кривизна меняется в зависимости от смещения. Этот означает, что жесткость пружины, с помощью которой удерживается атом, также изменения. Следовательно, атом имеет тенденцию колебаться с другая частота, что дает другой фонон.

Таблица 2 : Сравнение термических свойств различных керамические материалы. Оксид кремния 740
Материал Плавка Температура () Теплоемкость
(Дж / кг · К)
Коэффициент линейного расширения
1 / Cx10 -6
Теплопроводность
(Вт / м K)
Алюминий металлический 660 900 23.6 247
Медь металлическая 1063 386 16,5 398
Глинозем 2050 775 8,8 30,1
Fuse19
0,5 2,0
Натриевое стекло 700 840 9,0 1,7
Полиэтилен 120 2100 60-220 0.38
Полистирол 65-75 1360 50-85 0,13

Одно из самых интересных высокотемпературных приложений керамические материалы — их использование на космическом корабле. Почти весь экстерьер шаттла покрыт керамической плиткой. из волокон аморфного кремнезема высокой чистоты. Те, кто подвергается при самых высоких температурах добавлен слой стекла с высоким коэффициентом излучения. Эта плитка выдерживает температуру до 1480 C в течение ограниченное количество времени.Некоторые из испытанных высоких температур шаттлом во время входа и подъема показаны на рисунке 3.

Рисунок 3: Схема подъема и спуска космического челнока. температуры

Температура плавления алюминия 660 C. Плитка сохраняет температура алюминиевой оболочки челнока не ниже 175 C, а внешняя температура может превышать 1400 C. Плитка быстро остывает, поэтому после воздействия такой высокой температуры они достаточно прохладные, чтобы их можно было держать голыми руками в около 10 секунд.Удивительно, но толщина этих керамических плитки варьируются от 0,5 до 3,5 дюймов.

Рисунок 4: График внутренней температуры плитки по сравнению с плиткой толщина.

В челноке также используются керамические аппликации в тканях для зазоров. наполнители и термобарьеры, армированные углерод-углеродные композиты для носового обтекателя и передних кромок крыла, а также высокотемпературные стеклянные окна.

Оптические свойства:

Оптическое свойство описывает то, как материал реагирует на воздействие света.Видимый свет — это форма электромагнитного излучение с длинами волн от 400 до 700 нм соответствует диапазону энергий от 3,1 до 1,8 электрон-вольт (эВ) (от E = hc /, где c = 3 x 10i 17 нм / с и h = 4,13 · 10 -15 эВ · с).

Когда свет падает на объект, он может пропускаться, поглощаться или размышлял. Материалы различаются по своей способности пропускать свет и обычно описываются как прозрачные, полупрозрачные или непрозрачные.Прозрачные материалы, такие как стекло пропускает свет с небольшим поглощением или отражением. Материалы, пропускающие свет диффузно, например, матовое стекло, полупрозрачны. Непрозрачные материалы не пропускают свет.

Два важных механизма взаимодействия света с частицы в твердом теле — это электронные поляризации и переходы электронов между различными энергетическими состояниями. Искажение электронное облако атома электрическим поле, в данном случае электрическое поле света, равно описывается как поляризация.В результате поляризации некоторые из энергия может быть поглощена, т.е. преобразована в упругие деформации (фононы) и, следовательно, тепло. С другой стороны, поляризация может распространяться как связанная с материалом электромагнитная волна со скоростью, отличной от скорости света. Когда свет поглощается и переизлучаемый с поверхности на той же длине волны, он называется отражение. Например, металлы обладают высокой отражающей способностью, а те с серебристым внешним видом отражают весь видимый свет.Уровни энергии электронов квантуются, т. Е. Каждый электрон переход между уровнями требует определенного количества энергия. Поглощение энергии приводит к смещению электронов из основного состояния в высшее, возбужденное состояние. Электроны затем вернуться в основное состояние, сопровождаемое повторной эмиссией электромагнитного излучения.

В неметаллах нижние энергетические связывающие орбитали составляют то, что называется валентной зоной, а разрыхляющие орбитали с более высокой энергией образуют зону проводимости.В разделение между двумя зонами — это ширина запрещенной зоны, и обычно она велика. для неметаллов, меньшего размера для полупроводников и отсутствующего в металлах.

Диапазон энергий для видимого света от 1,8 до 3,1 эВ. Материалы с запрещенной зоной в этом диапазоне будут поглощать эти соответствующие цвета (энергии) и передать другим. Они будут прозрачными и цветными. Для Например, ширина запрещенной зоны фотоэлементов из сульфида кадмия составляет около 2.4 эВ, поэтому он поглощает компоненты видимого света с более высокой энергией (синий и фиолетовый). Оно имеет желто-оранжевый цвет в результате переданных участков спектр. Этот тип световой проводимости называется фотопроводимостью.

Материалы с энергией запрещенной зоны менее 1,8 эВ будут непрозрачными. потому что весь видимый свет будет поглощаться электронными переходами от валентности к зоне проводимости. Рассеяние этого поглощенная энергия может быть прямым возвратом в валентную зону или более сложные переходы с участием примесей.Чистые материалы с энергией запрещенной зоны более 3,1 эВ не будет поглощать свет в видимый диапазон и будет казаться прозрачным и бесцветным.

Свет, излучаемый при переходах электронов в твердых телах: называется люминесценцией. Если это произойдет для короткое время это флуоресценция, а если длится дольше это фосфоресценция.

Свет, который передается из одной среды в другую, например из воздуха в стекло, преломляется.Это явный изгиб световых лучей, возникающих в результате изменения скорости света. Показатель преломления (n) материал — это отношение скорости света в вакууме (c = 3 x 10 8 м / с) до скорости света в этом материале (n = резюме). Изменение скорости является результатом электронной поляризации. Поскольку эффект поляризации увеличивается с увеличением размера атомы, стекла, содержащие ионы тяжелых металлов (например, свинца кристалл) имеют более высокие показатели преломления, чем составленные из более мелкие атомы (например, натриево-известковое стекло).

Рисунок 5: На этом рисунке показано преломление света, как оно переходит от среды с низкой оптической плотностью (например, воздуха) к среде с более высокой оптической плотностью (например, вода или стекло). Свет поддерживает его частота, но его скорость изменяется в более плотной среде. Следовательно, длина волны должна соответственно измениться. Закон Снеллиуса (n 1 sin q 1 = n 2 sin q 2 ) можно использовать для связи показателей преломления (n), углов (q) падения и преломления, а также скорости (v) света в двух СМИ: n 1 / n 2 = q 2 / q 1 = v 1 / v 2 )

Внутреннее рассеяние света в прозрачной по своей природе материал может сделать материал полупрозрачным или непрозрачным.Такой рассеяние происходит на флуктуациях плотности, границах зерен, фазовых границах и поры.

Многие приложения используют преимущества оптических свойств материалы. Прозрачность очков делает их полезными для окна, линзы, фильтры, посуда, лабораторная посуда и предметы искусства. Преобразование света в электричество — основа для использования полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия в лазерах и широкое использование светодиодов (светодиодов) в электронике устройств.Флуоресцентная и фосфоресцентная керамика используется в электрические лампы и телевизионные экраны. Наконец, оптические волокна передавать телефонные разговоры, сигналы кабельного телевидения и компьютерные данные, основанные на полном внутреннем отражении света сигнал.

Механические свойства:

Механические свойства описывают реакцию материала силам, нагрузкам и ударам. Керамика — прочный, твердый материал которые также устойчивы к коррозии (долговечны).Эти свойства, вместе с их низкой плотностью и высокой температурой плавления делают керамика привлекательные конструкционные материалы.

Применение современной керамики в конструкциях включает компоненты автомобильных двигателей, брони для военной техники и самолетов конструкции. Например, карбид титана имеет примерно в четыре раза больше прочность стали. Таким образом, стальной стержень в конструкции самолета может быть заменен стержнем из TiC, который будет выдерживать ту же нагрузку на половину диаметр и 31% веса.

Другие приложения, использующие механические свойства керамики включают использование глины и цемента в качестве конструкционные материалы. И то, и другое можно формовать и формовать во влажном состоянии, но при высыхании получается более твердый и прочный предмет. Очень твердые материалы такие как оксид алюминия (Al 2 O 3 ) и карбид кремния (SiC) используются в качестве абразивов для шлифовка и полировка.

Основным ограничением керамики является ее хрупкость, т.е.е., склонность к внезапному выходу из строя при небольшой пластической деформации. Это особенно беспокойство, когда материал используется в конструкционных приложениях. В металлов, делокализованные электроны позволяют атомам изменять соседи, не нарушая полностью структуру связи. Этот позволяет металлу деформироваться под нагрузкой. Работа сделана как узы смещение при деформации. Но в керамике из-за комбинированного ионный и ковалентный механизм связывания, частицы не могут сдвигаться с легкостью.Керамика ломается при приложении слишком большого усилия, и работа, проделанная по разрыву связей, при растрескивании создает новые поверхности.

Рисунок 6 : Напряжение-деформация диаграммы для типичных (а) хрупких и (б) пластичных материалов

Хрупкое разрушение происходит образование и быстрое распространение трещин. В кристаллических твердых телах трещины прорастают сквозь зерна (межзерновые) и по спайности плоскости в кристалле. Полученная изломанная поверхность может иметь зернистая или грубая текстура.Аморфные материалы не содержат зерен и правильные кристаллические плоскости, поэтому изломанная поверхность более вероятно будет гладким на вид.

Теоретическая прочность материала — это напряжение при растяжении. что было бы необходимо, чтобы разорвать связи между атомами в идеальном твердое тело и разведите предмет. Но все материалы, в том числе керамика, содержат незначительные структурные и производственные дефекты, которые сделать их значительно слабее идеальной прочности.Любой недостаток, такие как поры, трещины или включения, вызывают напряжение концентрация, которая усиливает приложенное напряжение. Поры также уменьшить площадь поперечного сечения, по которой действует нагрузка. Таким образом, более плотные, менее пористые материалы обычно прочнее. Сходным образом, чем меньше размер зерна, тем лучше механические свойства.

На самом деле керамика — это самый прочный из известных монолитных материалов, и они обычно сохраняют значительную часть своих прочность при повышенных температурах.Например, нитрид кремния (Si 3 N 4 , = 3,5 г / см 3 ) роторы турбокомпрессора имеют прочность на излом 120 тысяч фунтов на квадратный дюйм при 70 F и 80 тысяч фунтов на квадратный дюйм при 2200 F.

Рисунок 7 : Испытания на растяжение, сжатие и изгиб для материалы

Прочность на сжатие (раздавливание) важна для керамики, используемой в конструкции, такие как здания или огнеупорный кирпич. Сжимающий прочность керамики обычно намного превышает их предел прочности на разрыв.Чтобы компенсировать это, керамику иногда подвергают предварительному напряжению в сжатом состоянии. Таким образом, когда керамический объект подвергается растягивающей силе, приложенное нагрузка должна преодолевать сжимающие напряжения (внутри объекта) прежде, чем дополнительные растягивающие напряжения могут увеличиться и нарушить объект. Безопасное стекло (термически закаленное) стекло) является одним из примеров такого материала. Керамика обычно довольно неэластичны и не гнутся, как металлы. Жесткость зависит от состав и структура.Способность к обратимой деформации есть измеряется модулем упругости. Материалы с прочным сцеплением требуют больших усилий для увеличения пространство между частицами и имеют высокие значения модуля упругости эластичность. Однако в аморфных материалах больше свободных пространство для перемещения атомов под приложенной нагрузкой. Как результат, аморфные материалы, такие как стекло, легче изгибаются, чем кристаллические материалы, такие как оксид алюминия или нитрид кремния.

Вязкость разрушения способность противостоять разрушению при наличии трещины.Это зависит от геометрия объекта и трещины, приложенное напряжение, и длина трещины. Разрабатываются композиты, которые сохраняют желаемые свойства керамики, уменьшая их склонность к разрушению. Например, введение углерода усы волокна препятствуют распространению трещин по керамике и повышает прочность.

Стеклокерамика, такая как используются для изготовления посуды, состоящей из стеклянной матрицы в какие крошечные керамические кристаллы растут, так что конечная матрица фактически состоит из мелких кристаллических зерен (средний размер <500 нм).Поскольку размер их зерен очень мал, эти материалы прозрачный для света. Кроме того, поскольку прочность на излом обратно пропорционально квадрату размера зерна, материалы прочные. Другими словами, наличие кристаллов улучшает механические и термические свойства стекла - стеклокерамика прочна, устойчива к термическому удару и хороша теплопроводники.

Электрические характеристики:

Электрические свойства керамических материалов сильно различаются. с характерными мерами, охватывающими многие порядки величины (см. Таблицу 3).Керамика, вероятно, больше всего известна как электрическая. изоляторы. Некоторые керамические изоляторы (например, BaTiO 3 ) могут быть поляризованными и использоваться в качестве конденсаторов. Прочая керамика проводит электроны, когда достигается пороговая энергия, и поэтому называются полупроводники. В 1986 году был открыт новый класс керамики, высокий T c сверхпроводниками . Эти материалы проводят электричество практически с нулевым сопротивлением. Наконец, керамика известные как пьезоэлектрики могут генерировать электрический ответ на механическую силу или наоборот.

Таблица 3 : Удельное электрическое сопротивление различных материалы. 7-x 22 (ниже T c )
Тип Материал Удельное сопротивление (-см)
Металлические проводники: Медь 1,7 x 10 -6
CuO 2 3 x 10 -5
Полупроводники: SiC 10
Германий 40
Изоляторы: Огнеупорный кирпич 10 8
941 941 Si 4 > 10 14
Полистирол 10 18
Сверхпроводники: YBa 2 Cu 3 O 7-x

Любой, кто использовал портативный кассетный плеер, личный компьютер или другое электронное устройство использует керамические диэлектрические материалы.Диэлектрик материал представляет собой изолятор, который может поляризоваться на молекулярном уровень. Такие материалы широко используются в конденсаторах, устройствах, которые используются для хранения электрического заряда. Строение конденсатора показан на схеме.

Рисунок 8 : Схема конденсатора.

Заряд конденсатора хранится между двумя его пластинами. Количество заряда (q), которое он может удерживать, зависит от его напряжения. (В) и его емкость (С).

q = CV

Диэлектрик вставлен между пластинами конденсатора, увеличение емкости системы в раз, равное ее диэлектрической проницаемости k.

q = (кКл) В

Использование материалов с большой диэлектрической проницаемостью позволяет большие количества заряда должны храниться на очень маленьких конденсаторах. Это значительный вклад в продолжение миниатюризация электроники (например, портативных компьютеров, портативных CD-плееры, сотовые телефоны, даже слуховые аппараты!).

Диэлектрическая прочность материал — это его способность постоянно удерживать электроны на высоком Напряжение. Когда конденсатор полностью заряжен, практически нет ток, проходящий через него.

Но иногда возбуждают очень сильные электрические поля (высокое напряжение). большое количество электронов из валентной зоны в зона проводимости. Когда это происходит, ток течет через диэлектрик и часть накопленного заряда теряется.Это может быть сопровождается частичным разрушением материала плавлением, горение и / или испарение. Магнитный напряженность поля, необходимая для разрушения материала, составляет его диэлектрическая прочность. Некоторые керамические материалы имеют чрезвычайно высокую диэлектрическая прочность. Например, электрический фарфор может обрабатывать до 300 вольт на каждые 0,001 дюйма (мил) материала!

Таблица 4 : Константы электрических свойств различных керамических материалов материалы.
Материал Диэлектрическая проницаемость при 1 МГц Диэлектрическая прочность (кВ / см)
Воздух 1.00059 30
Полистирол 2,54 — 2,56 240
Стекло (Pyrex) 5,6
Глинозем 4,5 — 8,4 16-63
Фарфор 6,0 — 8,0 16-157
Диоксид титана 14-110 39-83

Электрический ток в твердых телах чаще всего является результатом поток электронов (электронная проводимость).В металлах, мобильных, проводящие электроны рассеиваются на тепловых колебаниях (фононах), и это рассеяние наблюдается как сопротивление. Таким образом, в металлах удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры. Наоборот, валентные электроны в керамических материалах обычно не находятся в зона проводимости, поэтому большинство керамических материалов считаются изоляторами. Однако электропроводность можно увеличить, допировав материал примеси. Тепловая энергия также продвигает электроны в зона проводимости, так что в керамике проводимость увеличивается (и удельное сопротивление уменьшается) при повышении температуры.

Хотя керамика исторически считалась изоляционной материалы, керамические сверхпроводники были открыты в 1986 году. сверхпроводник может передавать электрический ток без сопротивления или потеря мощности. Для большинства материалов удельное сопротивление постепенно уменьшается. при понижении температуры. У сверхпроводников есть критический температура, Т c , при которой сопротивление резко падает практически до нуля.

Рисунок 9 : Зависимость удельного электрического сопротивленияТемпература для сверхпроводящие и несверхпроводящие материалы.

Чистые металлы и металлические сплавы были первыми известными сверхпроводники. У всех были критические температуры на уровне 30К или ниже и требовалось охлаждение жидким гелием. Новая керамика сверхпроводники обычно содержат плоскости оксида меди, такие как YBa 2 Cu 3 O 7 обнаружено в 1987 г. T c = 93 К. У них критические температуры выше температура кипения жидкого азота (77.4 К), что делает многие потенциальные применения сверхпроводников гораздо более практичны. Это связано с более низкой стоимостью жидкого азота и более легким проектирование криогенных устройств.

Рисунок 10 : Элементарная ячейка для YBCO сверхпроводник.

Помимо их критической температуры, два других параметра Определите область, в которой керамический материал является сверхпроводящим: 1) критический ток и 2) критическое магнитное поле. Пока условия находятся в пределах критических параметров температуры, ток и магнитное поле, материал ведет себя как сверхпроводник.Если любое из этих значений превышено, сверхпроводимость разрушена.

Применение сверхпроводников, зависящих от их тока грузоподъемность включает выработку, хранение и хранение электроэнергии распределение. СКВИД (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства) электронные устройства, которые используют сверхпроводники как чувствительные детекторы электромагнитного излучения. Возможные применения в область медицины включает разработку передовых МРТ (Магнитно-резонансная томография) на основе магнитов из сверхпроводящие катушки.

Магнитные применения сверхпроводников также имеют большое значение. важность. Сверхпроводники — идеальные диамагнетики, а это значит, что они отталкивают магнитные поля. Это исключение приложенного магнитного поля называется эффектом Мейснера и является основой предлагаемого использования сверхпроводники для магнитной левитации поездов.

Некоторые керамические изделия обладают необычным свойством пьезоэлектричества или давление электричество. Это часть класса, известного как «умный» материалы, которые часто используются в качестве датчиков.В пьезоэлектрике материал, приложение силы или давления на его поверхность индуцирует поляризацию и создает электрическое поле, т.е. превращает механическое давление в электрический импульс. Пьезоэлектрические материалы используются для изготовления преобразователей, которые встречается в таких распространенных устройствах, как звукосниматели для фонографов, эхолоты, микрофоны и различные типы датчиков. В керамических материалах, электрический заряд также может переноситься ионами. Это свойство может быть адаптированным с помощью химического состава, и является основой для многих коммерческих приложений.Они варьируются от химических датчики для крупных генераторов электроэнергии. Один из самых Известная технология — это топливные элементы. Он основан на способность определенной керамики пропускать кислородные анионы, в то же время являясь электронными изоляторами. Цирконий (ZrO 2 ), стабилизированный кальцием (CaO), является примером такой твердый электролит.

Топливные элементы были впервые использованы в космических кораблях, таких как Аполлон. капсулы и космический корабль.Ночью использовались топливные элементы. для выработки электроэнергии путем сжигания водорода и кислорода из газовые баллоны. В течение дня солнечные батареи взяли верх, и избыточная мощность использовалась для очистки и регенерации кислорода из выхлопных газов и атмосфера, выдыхаемая космонавтами. Лямбда-зонд в выпускной коллектор автомобилей работает по такому же принципу и является используется для контроля эффективности двигателя.

Обработка керамики:

Обработка керамических материалов описывает способ, которым керамические предметы (например,г., стеклопакеты, лопатки ротора турбокомпрессора, световоды, конденсаторы).

Обработка начинается с сырья, необходимого для производства готовых компонентов, и включает в себя множество отдельных шагов, которые отличаются существенно зависит от типа керамического материала, кристаллический против стекла.

Обработка кристаллической керамики Обработка стекла
Выбор сырья Сырье Выбор материала
Подготовка Плавка
Консолидация Разливка
Спекание Отжиг

Выбор сырья включает получение и подготовку правильные материалы для конечного продукта.Традиционное использование керамики различные формы глины. Производители стекла начинают с кремнезема. В современной керамике используется несколько различных материалов в зависимости от приложения (т. е. необходимые свойства).

Материал Использует
Al 2 O 3 (алюминий оксид) Изолирующие тела свечей зажигания,
подложки для микроэлектронной упаковки
MgO (оксид магния) электроизоляторы, огнеупорный кирпич
SiO 2 (диоксид кремния) посуда, оптические волокна
ZrO67 2 (оксид циркония) цирконий, датчики кислорода
SiC (карбид кремния) печь детали, нагревательные элементы,
абразивы
Si 3 N 4 (кремний нитрид) роторы турбокомпрессора, поршневые клапаны

Для кристаллической керамики характеристики необработанной материалы (порошки), такие как размер частиц и чистота, очень важны, поскольку они влияют на структуру (например,г., крупность) и свойства (например, прочность) конечного компонента. Поскольку сила увеличивается с уменьшением размера зерна, большинство исходных порошков измельченный (или измельченный) для получения тонкого порошка (диаметр <1 м). Поскольку сухие порошки трудно придавать форму, технологические добавки, такие как вода, полимеры и т. д., добавляются в улучшить их пластичность. Консолидация предполагает формирование керамической смеси в заданную форму. Есть много техник доступны для этого шага:

Рисунок 11 : Вспомогательные средства для обработки керамики.

Спекание — последний этап процесса. Спекание при высоком температуры (от 800 до 1800 C) вызывают уплотнение, которое придает керамическому изделию прочность и другие свойства. Во время этого процесса отдельные керамические частицы сливаются в образуют сплошную твердую сетку, а поры устраняются. Как правило, микроструктура спеченный продукт содержит плотные зерна, где отдельные зерна состоит из множества исходных частиц.

Рисунок 12 : Микроструктура необработанных, формованных и спеченных керамические изделия

Обработка стекла отличается от обработки кристаллов. Один из соображений, которые необходимо изучить, является укрепление поведение стекла. Очки чаще всего производятся быстрым закалка расплава. Это означает, что элементы, составляющие стекло материалы не могут перемещаться в положения, которые позволяют им образовывать кристаллическая закономерность.В результате стеклянная структура неупорядоченный или аморфный.

Одна из самых заметных характеристик очков — это способ они изменяются между твердым и жидким состояниями. В отличие от кристаллов, которые внезапно преобразуются при определенной температуре (т. е. их плавление точка) очки претерпевают постепенный переход. Между таянием температура (Т м ) вещества и так называемая температура стеклования (Т г ), вещество считается переохлажденной жидкостью.Когда стекло работал между T g и T m , можно достичь практически любой формы. Техника выдувания стекла — увлекательная демонстрация невероятной способности деформировать стекло.

Рисунок 13 : График зависимости удельного объема от температуры для типичный керамический материал

Обработка стекла не требует частиц оптимального размера (хотя мелкие кусочки тают быстрее). Выбор стекольного сырья материалы и химические добавки (которые, например, могут изменить цвет стекла) нагреваются (700 — 1600 С), растапливается и, наконец, выливается в форму или тарелку для быстрого охлаждения.Существует четыре различных метода формования, используемых для изготовления стакан.

Техника Применение
Прессование Столовая посуда
Выдув Банки
Чертеж Окна
Формирование волокна Волокно оптика

Во время формирования стекла могут возникать напряжения, которые введены быстрым охлаждением или специальной обработкой, чтобы стекло потребности (например, наслоение или укрепление).Дополнительное тепло лечение нужно, чтобы «залечить» стекло. Отжиг, при котором стекло нагревается до точки отжига (температура чуть ниже температуры размягчения точка, в которой вязкость составляет приблизительно 10 8 Пуаз), а затем медленно охлаждают до комнатной температуры, является одним из таких процесс. Закалка также является последующей термообработкой стекла. обработка, при которой стекло повторно нагревается и охлаждается в масле или струя воздуха, так что внутренняя и внешняя части имеют разные характеристики.Закалка снижает склонность стекла к разрушению. Закаленное стекло можно использовать в условиях, подверженных нагрузкам. как окна машины.

Резюме:

Термин «керамика» когда-то относился только к материалам на основе глины. Однако новые поколения керамических материалов чрезвычайно расширили сферу и количество возможных приложений. Многие из эти новые материалы оказывают большое влияние на нашу повседневную жизнь и на наше общество.

Керамические материалы представляют собой неорганические соединения, обычно оксиды, нитриды или карбиды. Связь очень прочная — ионная или сеть ковалентная. Многие принимают кристаллические структуры, но некоторые формы очки. Свойства материалов являются результатом склеивание и структура.

Керамика выдерживает высокие температуры, хорошо термически изоляторы и не сильно расширяются при нагревании. Это заставляет их отличные тепловые барьеры, начиная от футеровки промышленные печи для покрытия космического шаттла, чтобы защитить его от высоких температур на входе.

Стекла — это прозрачная аморфная керамика, широко используемая. в окнах, линзах и многих других знакомых приложениях. Свет может вызывают электрический отклик в некоторых керамических изделиях, называемый фотопроводимость. Волоконно-оптический кабель быстро заменяет медь для связи, так как оптические волокна могут нести больше информации для больших расстояний с меньшими помехами и потерями сигнала, чем традиционные медные провода.

Керамика прочная, твердая и долговечная.Это заставляет их привлекательные конструкционные материалы. Единственный существенный недостаток: их хрупкость, но эта проблема решается разработка новых материалов, таких как композиты.

Керамика отличается по электрическим свойствам от отличных изоляторов. к сверхпроводникам. Таким образом, они используются в широком диапазоне Приложения. Некоторые из них конденсаторы, другие полупроводники в электронные устройства. Пьезоэлектрические материалы могут преобразовывать механические давление в электрический сигнал и особенно полезны для датчики.В настоящее время ведутся активные исследования по открытию новых высот T c сверхпроводников и разработка возможных приложений.

Обработка кристаллической керамики осуществляется в соответствии с основными этапами которые веками использовались для изготовления глиняных изделий. Материалы отбираются, подготавливаются, формуются в желаемую форму и спекаются при высоких температурах. Стекла обрабатываются заливкой в ​​расплавленный состояние, придание формы в горячем состоянии, а затем охлаждение. Новые методы такие как химическое осаждение из паровой фазы и золь-гель обработка. в настоящее время разрабатывается.Керамика далеко вышла за рамки своего начал в глиняной посуде. Керамическая плитка покрывает космический шаттл а также наши кухонные полы. Керамические электронные устройства делают возможные высокотехнологичные инструменты для всего, от медицины до развлечение. Ясно, что керамика — наше окно в будущее.

Следующая тема: Ссылки

Керамика Содержание
MAST Домашняя страница

Быстрый ответ: Что такое теплопроводность керамики

Теплопроводность керамики Результаты измерений Средняя теплопроводность 5.Для оксида алюминия, обожженного бисквитом, было получено 077 Вт / мК, что точно находится в пределах принятого диапазона теплопроводности от 5 до 5,25 Вт / мК для этого материала.

Обладает ли керамика высокой теплопроводностью?

Теплопроводность легко передает тепло Среди тонкой керамики (также известной как «современная керамика») некоторые материалы обладают высокими уровнями проводимости и хорошо передают тепло, в то время как другие обладают низким уровнем проводимости и передают меньше тепла. Особенно хорошо передают тепло нитрид алюминия и карбид кремния.

Какая керамика имеет самую высокую теплопроводность?

Керамика из нитрида алюминия является наиболее широко используемым материалом с высокой теплопроводностью. Теоретическая теплопроводность монокристалла нитрида алюминия может достигать 3200 Вт / м • К.

Какой изолятор лучше — деревянный или керамический?

Во многих ситуациях мы хотим задержать тепло и замедлить его поток или остановить поток электричества и предотвратить поражение электрическим током. Пластик, резина, дерево и керамика — хорошие изоляторы.Пластиковое покрытие также используется для покрытия большинства электрических проводов в приборах. Воздух также является хорошим изолятором тепла.

Каковы термические свойства керамики?

Наиболее важными тепловыми свойствами керамических материалов являются теплоемкость, коэффициент теплового расширения и теплопроводность. С этими свойствами связаны многие области применения керамики, например ее использование в качестве изоляционных материалов. Тепловая энергия может храниться или передаваться твердым телом.

Является ли керамика хорошим проводником тепла?

Как правило, вещества, которые являются хорошими проводниками тепла, также являются хорошими проводниками электричества.Таким образом, все металлы — проводники, а воздух, (чистая) вода, пластмассы, стекло и керамика — изоляторы.

Является ли высокая теплопроводность хорошим изолятором?

Кроме того, изоляционные материалы, такие как аэрогель и изоляция, используемые в домах, имеют низкую теплопроводность, что указывает на то, что они не пропускают тепло через себя легко. Таким образом, низкая теплопроводность указывает на хороший изоляционный материал. Значения для обычных материалов.

Материал Электропроводность при 25 o C
Вакуум 0
Вода 0.58

Обладает ли пластик высокой теплопроводностью?

Как показывает практика, теплопроводность увеличивается на несколько процентов в диапазоне от 0 до 100 ° C. Теплопроводность ненаполненных пластиков.

Акрилонитрил-бутадиен-стирол ABS 0,14-0,21
Полиэтилен L Низкая плотность 0,33
Полиэтилен HD Высокая плотность 0.45-0,52
Полиимид Каптон 0,10-0,35
Полиметилметакрилат ПММА, акрил, плексиглас 0,17-0,19

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Алмаз является ведущим теплопроводным материалом, и его значения проводимости, измеренные в 5 раз, выше, чем у меди, наиболее производимого металла в Соединенных Штатах.

Какие бывают 3 вида керамики?

Есть три основных типа гончарных изделий / керамики.Это фаянс, керамогранит и фарфор.

У бумаги высокая теплопроводность?

Поскольку проводимость материалов может изменяться в зависимости от температуры, не существует единого значения для проводимости бумаги. Однако при стандартной температуре и давлении 25 градусов по Цельсию и 1 атмосфере теплопроводность бумаги составляет 0,05 Вт на метр по Кельвину.

Керамика — хороший изолятор?

Помимо Fine Ceramics, к другим изоляторам относятся парафин, резина, пластик, бумага и мрамор.Поскольку керамика обжигается в печи, ей можно придавать самые разные формы с превосходной термостойкостью и долговечностью. По этим причинам керамика издавна использовалась как изолятор.

Почему керамика плавится при таких высоких температурах?

Керамические материалы обладают высокой теплоемкостью и имеют как ионные, так и ковалентные связи. Способность материала поглощать тепло от окружающей среды — это его теплоемкость. Поскольку ионные связи прочные и однонаправленные, температура плавления керамики выше.

Обладает ли керамика низкой теплопроводностью?

В отличие от металлов керамика имеет низкую теплопроводность из-за ионно-ковалентной связи, которая не образует свободных электронов.

Почему керамика — плохой проводник?

Две наиболее распространенные химические связи для керамических материалов — ковалентные и ионные. Связь атомов друг с другом при ковалентной и ионной связи намного сильнее, чем при металлической. Отсутствие свободных электронов приводит к тому, что большая часть керамики плохо проводит электричество и тепло.

Имеет ли ткань высокую теплопроводность?

Ключевым свойством следующего текстиля является его высокая теплопроводность, которая позволяет теплу тела проходить через ткань за счет теплопроводности в окружающую среду.

Керамика — это теплопроводник или изолятор?

Как правило, вещества, которые являются хорошими проводниками тепла, также являются хорошими проводниками электричества. Таким образом, все металлы — проводники, а воздух, (чистая) вода, пластмассы, стекло и керамика — изоляторы.

Какой материал имеет наименьшую теплопроводность?

Теплопроводность [БТЕ / (ч · фут⋅ ° F)] Как видите, из наиболее распространенных металлов медь и алюминий обладают самой высокой теплопроводностью, а сталь и бронза — самой низкой. Теплопроводность — очень важное свойство при выборе металла для конкретного применения.

Керамика лучше изолирует, чем стекло?

Керамика легче стекла, но обычно потому, что она пористая.Одним из больших преимуществ керамики над классом является то, что керамика является хорошим теплоизолятором благодаря своей пористости.

Почему керамика легко ломается?

Керамика хрупкая, потому что в ней неравномерно распределены поры. Эти воздушные карманы делают керамику легче, но они являются структурными слабыми местами. Некоторые керамические изделия, например кирпичи, имеют большие поры. «Чем больше пора, тем легче ее сломать», — говорит Грир.

Почему керамика — хороший изолятор?

Керамика, используемая в качестве изолятора, не имеет свободных электронов (однако это не идеальный изолятор), поэтому это хороший изолятор.Фактически, именно это делает керамику хорошим теплоизолятором: в ней нет свободных электронов! Твердые тела можно классифицировать по ширине запрещенной зоны.

Может ли керамика проводить электричество?

Большая часть керамики сопротивляется прохождению электрического тока, и по этой причине керамические материалы, такие как фарфор, традиционно использовались в качестве электрических изоляторов.

About Author


alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *